JP6402753B2 - 直噴エンジンの燃焼室構造 - Google Patents

Description

本発明は、ピストンが上下方向に往復動可能に嵌装された気筒および当該気筒内に燃料を噴射する燃料噴射装置を備えるとともに、上記ピストン冠面と対向する天井面を有する燃焼室が上記気筒に形成された直噴エンジンの燃焼室構造に関する。

従来より、エンジンにおいて、燃費性能を高めるために、燃焼ガスの熱エネルギーが燃焼室の壁面からエンジン外部に放出されることに伴う損失すなわち冷却損失を小さく抑えることが求められている。

例えば、特許文献１には、燃焼室内に導入する吸気にオゾンを添加して混合気の燃焼速度を速くして、火炎が燃焼室の壁面に到達する前に燃焼を終了させるようにしたエンジンが開示されている。このエンジンによれば、燃焼室の壁面と高温の火炎とが接触して、この火炎から燃焼室の壁面を介して熱エネルギーが外部に放出されるのを抑制することができる。

特開２０１３−１９４７１２号公報

特許文献１のエンジンでは、吸気にオゾンを添加するために吸気管内等にオゾン発生装置を設ける必要があり、構造が複雑化するとともにコスト面で不利になる。そのため、簡単な構成で、冷却損失を小さく抑えることが求められる。また、特許文献１のエンジンにおいても、燃焼開始前に燃焼室内において吸気が燃焼室の壁面に沿うように流動している場合には、燃焼室の壁面近傍に混合気が生成される結果、燃焼ガスと燃焼室の壁面との接触を十分に抑制することができない。

本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、燃焼ガスと壁面との接触に伴う冷却損失の発生をより効果的に低減することのできる直噴エンジンの燃焼室構造を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本願発明は、ピストンが上下方向に往復動可能に嵌装された気筒と、当該気筒内に燃料を噴射する燃料噴射装置と、上記気筒内にタンブル流を発生させつつ吸気を導入可能な吸気ポートと、排気ポートとを備えた直噴エンジンの燃焼室構造であって、上記燃焼室の天井面は、ペントルーフ状を呈し、上記吸気ポートが開口する吸気側と上記排気ポートが開口する排気側とにそれぞれ当該天井面の頂部から径方向外側に向かって下方に傾斜する吸気側燃焼室斜面と排気側燃焼室斜面とを備え、上記ピストンの冠面は、上記燃焼室の天井面の中央部分と対向して下方に凹むキャビティと、上記ピストンが上死点にある状態で上記吸気側燃焼室斜面と上記排気側燃焼室斜面とにそれぞれ対向して上記キャビティの外周縁から上記気筒の径方向外側に向かってそれぞれ下方に傾斜する吸気側ピストン斜面と排気側ピストン斜面とを備え、上記燃料噴射装置は、上記キャビティの内側に向けて燃料を噴射するようにその先端が上記燃焼室の天井面の頂部付近に位置するように取り付けられているとともに、エンジン負荷が予め設定された基準負荷未満の低負荷領域において、上記燃焼室の中央部分の方が外周部分よりも燃焼開始直前の燃
料濃度が高くなるように圧縮行程後期に燃料を噴射し、上記吸気側ピストン斜面は、上記気筒の径方向内側に向かって上記燃焼室の天井面からの離間距離が大きくなるように、且つ、当該吸気側ピストン斜面と上記吸気側燃焼室斜面とがなす角度の方が上記排気側ピストン斜面と上記排気側燃焼室斜面とがなす角度よりも大きくなるように傾斜しており、上記吸気側ピストン斜面は、上記燃料噴射装置の先端を通り上記気筒の中心軸と平行に延びる燃焼室基準線と上記吸気側ピストン斜面に沿って延びる吸気側の仮想面との交点が、上記燃焼室基準線と上記排気側ピストン斜面に沿って延びる排気側の仮想面との交点よりも下側に位置するように配置されていることを特徴とする直噴エンジンの燃焼室構造を提供する（請求項１）。

本発明によれば、低負荷領域において、燃焼室内にその中央部分の燃料濃度の方が外周部分の燃料濃度よりも高い混合気が形成されるように燃料が噴射されるため、燃焼室の壁面近傍で生じる燃焼ガスの量を少なく抑えることができる。従って、燃焼室の壁面を通じて外部に放出される燃焼ガスの熱エネルギーの増大すなわち冷却損失の増大を抑制して燃費性能を高めることができる。

しかも、吸気側ピストン斜面が、燃焼室の天井面からの離間距離が径方向内側にいくほど大きくなるように、且つ、吸気側ピストン斜面と吸気側燃焼室斜面とのなす角度が排気側ピストン斜面と排気側燃焼室斜面とのなす角度よりも大きくなるように傾斜している。そのため、吸気側のスキッシュ流（吸気側ピストン斜面と吸気側燃焼室斜面との間の隙間から燃焼室の中央側に向かう吸気流れ）の勢いを、排気側のスキッシュ流（排気側ピストン斜面と排気側燃焼室斜面との間の隙間から燃焼室の中央側に向かう吸気流れ）の勢いよりも弱くすることができ、燃焼ガスと燃焼室の壁面との接触をより確実に抑制することができる。

具体的には、吸気ポートがタンブル流を発生可能なポート（いわゆるタンブルポート）であることで、圧縮行程中、吸気は、気筒内のうち主に吸気側の部分において上昇するように流れ、圧縮上死点付近の燃焼室の天井面近傍では、このタンブル流に起因して吸気側から排気側に向かう吸気の流れが形成される。そのため、圧縮上死点付近において、燃焼室内に生じる吸気側のスキッシュ流の勢いが、排気側のスキッシュ流の勢いと同等以上であると、燃焼室の天井面付近において、吸気は吸気側から排気側に向かって天井面に沿って勢いよく流れてしまい、この吸気と燃料との混合気およびこの混合気の燃焼により生じた燃焼ガスが燃焼室の天井面、特に、排気側燃焼室斜面と接触しやすくなる。

これに対して、本発明では、上記のように吸気側のスキッシュ流の勢いを排気側のスキッシュ流の勢いよりも弱くすることができるため、天井面に沿って吸気側から排気側に向かう吸気の勢いを小さくすることができる。従って、燃焼ガスと燃焼室の天井面との接触を抑制して、より効果的に冷却損失を小さく抑えることができる。

さらに、本発明において、吸気側ピストン斜面は、燃焼室基準線（燃料噴射装置の先端を通り気筒の中心軸と平行に延びる線）と吸気側ピストン斜面に沿って延びる吸気側の仮想面との交点が、燃焼室基準線と排気側ピストン斜面に沿って延びる排気側の仮想面との交点よりも下側に位置するように配置されている。これにより、吸気側のスキッシュ流ひいては圧縮上死点付近において吸気側から排気側に向かう吸気の流れをより下向き、つまり、燃焼室の天井面から離間する向きにして、燃焼室の天井面に沿う吸気の流れを弱くすることができる。そのため、混合気および燃焼ガスと燃焼室の天井面との接触を抑制することができ、効果的に冷却損失を小さく抑えることができる。

上記構成において、上記吸気ポートおよび上記排気ポートは、上記燃焼室の天井面にそれぞれ２つずつ設けられており、上記ピストン冠面には、上記２つの吸気ポートをそれぞれ開閉する２つの吸気弁とそれぞれ対向する位置に設けられて上記燃焼室の天井面から離間する方向に凹む２つの吸気側バルブリセスと、上記２つの排気ポートをそれぞれ開閉する２つの排気弁とそれぞれ対向する位置に設けられて下方に凹む２つの排気側バルブリセスとが形成されており、上記吸気側ピストン斜面は、上記吸気側バルブリセスの表面により構成され、上記排気側ピストン斜面は、上記排気側バルブリセスの表面により構成されているのが好ましい（請求項２）。

この構成によれば、ピストン冠面のうち比較的広い面積を占有するバルブリセスの表面が吸気側ピストン斜面および排気側ピストン斜面として機能するため、これら斜面の面積を広く確保することができる。従って、これら斜面が形成されることで得られる上記冷却損失の低減効果を効果的に得ることができる。

ここで、吸気側のスキッシュ流の勢いを単純に弱くするためには、吸気側ピストン斜面と吸気側燃焼室斜面とのなす角度を大きくすればよい。しかしながら、この角度を過剰に大きくすると吸気側のスキッシュ流がキャビティの底面側に向かって流れることになり、今度は、混合気および燃焼ガスとキャビティの底面とが接触しやすくなるおそれがある。従って、上記角度は所定の範囲内とされるのが好ましく、この角度を、２度以上１５度以下の所定角度に設定するのが好ましい（請求項３）。

また、圧縮上死点付近における吸気側から排気側への吸気の流れの勢いを弱くするためには、排気側のスキッシュ流の勢いはより強い方が望ましい。従って、排気側ピストン斜面と排気側燃焼室斜面とのなす角度は小さい方が好ましく、この角度としては、例えば、０度以上１３度以下が好ましい（請求項４）。

以上説明したように、本発明の直噴エンジンの燃焼室構造によれば、簡単な構成でより確実に冷却損失を小さくして燃費性能を高めることができる。

本発明の一実施形態にかかるエンジンシステムの構成を示した図である。 エンジン本体の概略断面図である。 燃焼室の天井面の概略平面図である。 燃料噴射装置の概略断面図である。 燃焼室付近を拡大して示した概略断面図である。 ピストンの冠面を拡大して示した概略斜視図である。 エンジンの制御系統を示したブロック図である。 エンジンの運転領域を示した図である。 低負荷領域での噴射パターンと混合気層の形状との関係を示した図であり、（ａ）は第１噴射モードでの図、（ｂ）は切替噴射モードでの図、（ｃ）は第２噴射モードでの図である。 本実施形態における気筒内のガス流動を模式的に示した図であり、（ａ）は吸気下死点前の図、（ｂ）は吸気下死点後かつ吸気弁の閉弁直前の図、（ｃ）は吸気弁の閉弁後の図、（ｄ）圧縮上死点付近の図である。 図１０（ｄ）の拡大図である。 比較例における気筒内のガス流動を模式的に示した図であり、（ａ）は吸気下死点前の図、（ｂ）は吸気下死点後かつ吸気弁の閉弁直前の図、（ｃ）は吸気弁の閉弁後の図、（ｄ）圧縮上死点付近の図である。 図１２（ｄ）の拡大図である。 比較例に係るエンジンの燃焼室付近を拡大して示した概略断面図である。 燃料噴霧の到達距離と速度との関係を説明するための図である。 吸気側ピストン斜面と吸気側燃焼室斜面とがなす角度と、混合気が燃焼室壁面に接触する面積との関係を示した図である。 排気側ピストン斜面と排気側燃焼室斜面とがなす角度と、混合気が燃焼室壁面に接触する面積との関係を示した図である。

（１）エンジンシステムの全体構成
図１は、本発明の実施形態にかかる直噴エンジンの燃焼室構造が適用されたエンジンシステムの構成を示した図である。本実施形態のエンジンシステムは、４ストロークのエンジン本体１と、エンジン本体１に燃焼用の空気を導入するための吸気通路３０と、エンジン本体１で生成された排ガスを排出するための排気通路４０と、排ガスの一部を吸気に還流するＥＧＲ装置５０とを備える。エンジン本体１は、例えば、４つの気筒２を有する４気筒エンジンである。エンジン本体１に供給する燃料の種類は限定されないが、本実施形態ではガソリンを含む燃料が用いられる。このエンジンシステムは車両に搭載され、エンジン本体１は車両の駆動源として利用される。

吸気通路３０には、上流側から順に、エアクリーナ３１、スロットルバルブ３２、サージタンク３３が設けられており、これらを通過した後の空気がエンジン本体１に導入される。

スロットルバルブ３２は、吸気通路３０を開閉するものである。ただし、本実施形態では、エンジンの運転中、スロットルバルブ３２は基本的に全開もしくはこれに近い開度に維持されており、エンジンの停止時等の限られた運転条件のときにのみ閉弁されて吸気通路３０を遮断する。

排気通路４０には、三元触媒等を含み排ガスを浄化するための触媒装置４１が設けられている。

ＥＧＲ装置５０は、ＥＧＲ通路５１と、これを開閉するＥＧＲバルブ５２と、ＥＧＲクーラ５３とを有する。ＥＧＲ通路５１は、排気通路４０のうち触媒装置４１の上流側の部分と吸気通路３０のうちスロットルバルブの下流側の部分（図１の例では、サージタンク３３）とを接続しており、排気通路４０を流通する排ガスの一部は、ＥＧＲ通路５１を通って吸気通路３０に還流する。吸気通路３０に還流する排ガスすなわちＥＧＲガスの量は、ＥＧＲバルブ５２の開弁量によって調整される。ＥＧＲクーラ５３は、ＥＧＲガスを冷却するためのものであり、ＥＧＲガスはＥＧＲクーラ５３にて冷却された後、吸気通路３０に還流される。

（２）エンジン本体の構成
エンジン本体１の構成について次に説明する。

図２は、エンジン本体１の一部を拡大して示した断面図である。本明細書では、図２に示す上下方向を単に上下方向といい、図２の上、下を単に上、下として説明する。

図２に示すように、エンジン本体１は、気筒２が内部に形成されたシリンダブロック３と、シリンダブロック３の上面に設けられたシリンダヘッド４と、気筒２に往復動可能に嵌装されたピストン５とを有している。

ピストン５の上方には燃焼室８が形成されている。具体的には、燃焼室８は、気筒２の壁面（内側面）と、ピストン冠面５０（以下、単に、ピストン冠面５０という）と、シリンダヘッド４の下面とで区画されている。

燃焼室８の詳細な構造については後述するが、燃焼室８の天井面８０はいわゆるペントルーフ状を呈しており、この天井面８０は、その中央部分に位置する頂部Ｐ１から気筒２の径方向外側に向かって下方に傾斜している。なお、本実施形態では、頂部Ｐ１の位置は、天井面８０の中心から後述する排気側に少しずれた位置となっている。また、以下では、気筒２の径方向を単に径方向として説明する。

燃焼室８の底面を構成するピストン冠面５０には、その中央部分を下方に凹ませたキャビティ７が形成されている。キャビティ７の容積は、ピストン５が上死点にある状態で燃焼室８のほぼ全容積を占めるように設定されている。本実施形態では、エンジン本体１の幾何学的圧縮比、つまり、ピストン５が下死点にあるときの燃焼室８の容積とピストン５が上死点にあるときの燃焼室８容積との比は、１７以上３５以下（例えば２５程度）に設定されている。

シリンダヘッド４には、吸気通路３０から供給される空気を気筒２内に導入するための吸気ポート１１と、気筒２内で生成された燃焼ガスを排気通路４０に導出するための排気ポート１２とが設けられている。各ポート１１，１２は、それぞれ燃焼室８の天井面８０に開口している。各ポート１１，１２の開口部分はそれぞれ吸気弁１３、排気弁１４によって開閉される。すなわち、シリンダヘッド４には、燃焼室８の天井面８０に形成された吸気ポート１１の開口部分を開閉する吸気弁１３と、燃焼室８の天井面８０に形成された排気ポート１２の開口部分を開閉する排気弁１４とが設けられている。

本実施形態では、１つの気筒２に対して吸気ポート１１と排気ポート１２とがそれぞれ２つずつ設けられており、図３（燃焼室８の天井面８０の概略平面図）に示すように、燃焼室８の天井面８０には吸気ポート１１と排気ポート１２とがそれぞれ２つずつ開口している。そして、１つの気筒２に対して、吸気弁１３と排気弁１４とがそれぞれ２つずつ設けられている。

また、図３に示すように、これら吸気弁１３と排気弁１４（吸気ポート１１の開口部分と排気ポート１２の開口部分）とは、燃焼室８の天井面８０の頂部Ｐ１を通る直線を挟んで互いに反対側（図３の右側と左側）となる部分に設けられている。ここで、図３に示す例では、吸気ポート１１の開口部分の面積すなわち吸気弁１３のバルブヘッドの面積の方が、排気ポート１２の開口部分の面積すなわち排気弁１４のバルブヘッドの面積よりも小さくなっている。そして、これに伴い、上記のように、燃焼室８の天井面８０の頂部Ｐ１は、天井面８０の中心よりも排気側に位置している。

図２に示すように、吸気ポート１１は、気筒２内にタンブル流を発生可能ないわゆるタンブルポートであって、燃焼室８の天井面８０から上方かつ径方向外側に向かって緩やかに湾曲している。詳細には、吸気ポート１１は、その中心線が、燃焼室８の天井面８０に対して略直角（８５°〜９５°程度）となる姿勢で形成されている。

吸気弁１３は、吸気弁開閉機構１５によって開閉される。吸気弁開閉機構１５には、吸気弁１３の開閉時期を変更可能な吸気開閉時期変更機構（吸気閉弁時期変更手段）１５ａが設けられており、運転条件等に応じて吸気弁１３の開弁時期および閉弁時期が変更される。本実施形態では、吸気弁１３の開弁期間が一定に維持された状態でその開閉時期が変更される。

なお、本実施形態では、燃焼室８内の燃焼ガスの熱が燃焼室８の外部に放出されるのを抑制して冷却損失を低減するべく、燃焼室８の壁面（内側面）の表面に、熱伝導率が低い断熱材７１が設けられている。具体的には、気筒２の内側面の上端部分と、ピストン冠面５０と、燃焼室８の天井面８０と、吸気弁１３および排気弁１４の各バルブヘッドの面とに、それぞれ断熱材７１が設けられている。なお、気筒２の壁面に設けられた断熱材７１は、ピストン５が上死点に位置した状態でピストンリングよりも上側となる部分に限定されており、ピストンリングが断熱材７１上を摺動しないようになっている。

断熱材７１としては、上記のように熱伝導率が低い材料で形成されればよく具体的な材料は限定されない。ただし、断熱材７１として、燃焼室８の壁面よりも容積比熱が小さい材料を用いるのが好ましい。すなわち、エンジン本体１が冷却水により冷却される場合、燃焼室８内のガス温度は燃焼サイクルの進行によって変動する一方、燃焼室８の壁面の温度は略一定に維持される。そのため、この温度差に伴って冷却損失が大きくなる。そこで、断熱材７１を容積比熱の小さい材料で形成すれば、断熱材７１の温度が燃焼室８内のガスの温度の変動に追従して変化するため、冷却損失を小さく抑えることができる。

例えば、断熱材７１は、燃焼室８の壁面上にＺｒＯ２等のセラミック材料がプラズマ溶射によりコーティングされることで形成されている。なお、このセラミック材料の中に多数の気孔が含まれるようにし、これにより断熱材７１の熱伝導率および容積比熱をさらに小さくしてもよい。また、図２に示す例では、吸気ポート１１の内側面にも断熱層７２が形成されている。

シリンダヘッド４には、燃焼室８内に燃料を噴射する燃料噴射装置２１と、燃焼室８内に形成された燃料と空気の混合気を点火するための点火プラグ２２とが取り付けられている。

点火プラグ２２は、その先端が、燃料噴射装置２１の側方であって吸気弁１３と排気弁１４との間に位置するように配置されている。

燃料噴射装置２１は、図外の燃料ポンプにより圧送された燃料を燃焼室８内に噴射する。本実施形態では外開き弁式の燃料噴射装置２１が用いられている。

図４は、燃料噴射装置２１の概略断面図である。図４に示すように、燃料噴射装置２１は、先端（燃焼室８側の端部）にノズル口２１ｂが形成された燃料管２１ｃと、燃料管２１ｃの内側に配設されてノズル口２１ｂを開閉する外開き弁２１ａとを有する。

燃料噴射装置２１は、図２等に示すように、その先端が燃焼室８の天井面８０の頂部Ｐ１に位置してキャビティ７の中央部分を臨むように配置されている。また、燃料噴射装置２１は、ノズル口２１ｂおよび燃料管２１ｃの中心軸が、燃焼室８の天井面８０の頂部Ｐ１を通り気筒２の中心軸と平行に延びる燃焼室基準線Ｌ２に沿うように配置されている。

外開き弁２１ａは、印加された電圧に応じて変形するピエゾ素子２１ｄに接続されている。外開き弁２１ａは、ピエゾ素子２１ｄに電圧が印加されていない状態でノズル口２１ｂと当接してノズル口２１ｂを閉弁し、ピエゾ素子２１ｄが電圧の印加に伴って変形することで、ノズル口２１ｂから先端側に突き出してノズル口２１ｂを開弁する。

ノズル口２１ｂおよび外開き弁２１ａのうちノズル口２１ｂと当接する部分は、先端側ほど径が大きくなるテーパ状を有しており、ノズル口２１ｂからは、ノズル口２１ｂの中心軸すなわち気筒２のほぼ中心軸を中心として、燃料がコーン状（詳しくはホローコーン状）に噴射される。例えば、このコーンのテーパ角は９０°〜１００°（ホローコーンにおける内側の中空部のテーパ角は７０°程度）となっている。

ここで、外開き弁２１ａの開弁期間およびリフト量（リフト量は、外開き弁２１ａの閉弁位置からの突出量でありノズル口２１ｂの開口量である）は、ピエゾ素子２１ｄへの電圧の印加期間および電圧の大きさに応じて変化する。そして、外開き弁２１ａのリフト量に応じて、ノズル口２１ｂから噴射される燃料噴霧のペネトレーション、単位時間あたりに噴射される燃料量および燃料噴霧の粒径は変化する。具体的には、リフト量が大きくノズル口２１ｂの開口量が大きくなると、燃料噴霧のペネトレーションは大きくなり、単位時間あたりの噴射燃料量が大きくなるとともに燃料噴霧の粒径が大きくなる。

上記構成に伴い、燃料噴射装置２１は、１〜２ｍｓｅｃの間に２０回程度の多段噴射を行うことができる。また、燃料噴射装置２１は、燃料噴射の間隔と、リフト量とをそれぞれ変更することによって、径方向（ノズル口２１ｂの中心軸と直交する方向）に対する燃料噴霧の広がりと、軸方向（ノズル口２１ｂの中心軸に沿う方向）に対する燃料噴霧の広がりとを独立して制御することが可能となっている。

例えば、燃料の噴射間隔が短くされることで、燃料噴霧の軸方向の広がりは促進される。すなわち、燃料の噴射間隔が短い方が、ホローコーンの内側により継続して負圧領域が形成されて軸方向により長い負圧領域が形成される。そのため、燃料の噴射間隔が短い方が、この負圧領域に引き寄せられて燃料噴霧が軸方向に広がりやすくなる。

一方、燃料噴射装置２１のリフト量が大きくされると、燃料噴霧の径方向の広がりが促進される。すなわち、リフト量が大きい場合には、上記のように燃料噴霧の粒径が大きくなって燃料噴霧の運動量が大きくなる。そのため、リフト量が大きい場合には、燃料噴霧は負圧領域に引き寄せられにくくなり、径方向の外方へより広がることになる。

（３）燃焼室の詳細構造
燃焼室８の詳細構造について次に説明する。図５は、ピストン５が上死点付近にある状態の燃焼室８周辺を拡大して示した断面図であり、図３のＶ−Ｖ線断面図である。図６は、ピストン冠面５０の概略斜視図である。

燃焼室８の天井面８０は、上記のようにペントルーフ状を呈している。すなわち、燃焼室８の天井面８０は、吸気側（吸気ポート１１が開口する側）と、排気側（排気ポート１２が開口する側））とにそれぞれ設けられた２つの傾斜面からなる三角屋根状をなしており、天井面８０は、吸気側において頂部Ｐ１付近から径方向外側に向かって下方に傾斜する吸気側燃焼室斜面８３と、排気側において頂部Ｐ１付近から径方向外側に向かって下方に傾斜する排気側燃焼室斜面８４とを備える。

詳細には、燃焼室８の天井面８０の頂部Ｐ１付近には上方に凹む凹部８９が形成されており、吸気側燃焼室斜面８３と排気側燃焼室斜面８４とはこの凹部８９の外周縁から径方向外側かつ下方に延びている。

本実施形態では、燃焼室基準線Ｌ２と直交する平面と吸気側燃焼室斜面８３とがなす角度α１と、この平面と排気側燃焼室斜面８４とがなす角度α２とは、ほぼ同じであり、
図５に示す断面において、吸気側燃焼室斜面８３と排気側燃焼室斜面８４とは、燃焼室基準線Ｌ２についてほぼ対称となっている。

図５に示した例では、燃焼室基準線Ｌ２と直交する平面に対するこれら斜面８３，８４の傾斜角度α１，α２は、いずれも２０度程度である。そして、これに伴い、吸気弁１３と排気弁１４との挟み角（吸気弁１３の軸と排気弁１４の軸とがなす角度）は４０度程度となっている。なお、斜面８３，８４の上記平面に対する角度α１，α２は、２０度に限らないが、５〜２５度程度に設定されるのが好ましい
ピストン冠面５０には、その中央部分を囲むように上方に隆起する部分が設けられており、この隆起部分の径方向内側にキャビティ７が区画されている。キャビティ７は、その中心と燃焼室８の天井面８０の頂部Ｐ１とがほぼ対向するように形成されている。

ピストン冠面５０のうち上記隆起部分よりも径方向外側の部分すなわちキャビティ７の外周縁７ａから径方向外側の部分は、全体として径方向外側に向かって下方に傾斜している。この傾斜部分には、吸気側バルブリセス５３，５３および排気側バルブリセス５４，５４がそれぞれ形成されている。すなわち、ピストン冠面５０のうち各吸気弁１３，各排気弁１４と対向する部分（詳細には、ピストン５が上死点に位置する状態で各吸気弁１３，各排気弁１４と対向する部分）は、それぞれ下方に凹んでおり、これにより、各吸気弁１３，各排気弁１４とピストン５との接触を回避するためのバルブリセス５３，５４が区画されている。

これらバルブリセス５３，５４は、各弁１３，１４のバルブヘッドにほぼ対応する形状を有している。ただし、本実施形態では、図２等に示すように、キャビティ７は、その一部が各弁１３，１４と対向するような大きさを有している。これに伴い、図６に示すように、各バルブリセス５３，５４のうち径方向内側の部分はキャビティ７側に開放されている。そして、各バルブリセス５３，５４の底面５３ａ，５４ａはキャビティ７の外周縁７ａから径方向外側に向かって下方に傾斜している。

このようにして、本実施形態では、ピストン冠面５０に、バルブリセス５３，５４の底面５３ａ，５４ａであって、キャビティ７の外周縁７ａから径方向外側に向かって下方に傾斜するピストン斜面５３ａ，５４ａが区画されている。すなわち、ピストン冠面５０は、吸気側に設けられて吸気側バルブリセス５３，５３の底面５３ａ，５３ａによって構成される吸気側ピストン斜面５３ａ，５３ａと、排気側に設けられて排気側バルブリセス５４，５４の底面５４ａ，５４ａによって構成される排気側ピストン斜面５４ａ，５４ａとを有している。

そして、ピストン冠面５０のうち吸気側バルブリセス５３どうしの間の部分には、吸気側バルブリセス５３の底面（吸気側ピストン斜面）５３ａに対して上方に隆起する吸気側隆起部５５が区画されるとともに、ピストン冠面５０のうち排気側バルブリセス５４どうしの間の部分に、排気側バルブリセスの底面（排気側ピストン斜面）５４ａに対して上方に隆起する排気側隆起部５６が区画されている。

図５に示すように、吸気側隆起部５５は、吸気側燃焼室斜面８３とほぼ平行に延びている。また、排気側隆起部５６は、排気側燃焼室斜面８４とほぼ平行に延びている。

ここで、上記のように、本実施形態では、各燃焼室斜面８３，８４は燃焼室基準線Ｌ２と直交する平面に対して同じおよそ２０度で傾斜している。従って、これら隆起部８５，８６９９も燃焼室基準線Ｌ２と直交する平面に対して同じおよそ２０度で傾斜している。

一方、吸気側ピストン斜面５３とこれに対向する吸気側燃焼室斜面８３とのなす角度（吸気側燃焼室斜面８３に対する吸気側ピストン斜面５３の傾斜角度）β１と、排気側ピストン斜面５４とこれに対向する排気側燃焼室斜面８４とのなす角度（排気側燃焼室斜面８４に対する排気側ピストン斜面５４の傾斜角度）β２とは異なっており、吸気側ピストン斜面５３の傾斜角度β１の方が、排気側ピストン斜面５４の傾斜角度β２よりも大きくなっている。

本実施形態では、排気側ピストン斜面５４と吸気側燃焼室斜面８３とのなす角度β２は０度程度に設定されて、これら斜面５４，８４どうしは互いにほぼ平行となっている。

一方、吸気側ピストン斜面５３は、径方向内側に向かうほど吸気側燃焼室斜面８３からの離間距離が大きくなるように傾斜している。そして、吸気側ピストン斜面５３と吸気側燃焼室斜面８３とのなす角度β１は、１５度程度とされている。

上記のように、各燃焼室斜面８３，８４は燃焼室基準線Ｌ２と直交する平面に対して同じおよそ２０度で傾斜していることから、本実施形態では、排気側ピストン斜面５４も燃焼室基準線Ｌ２と直交する平面に対して同じおよそ２０度で傾斜していることになる。一方、吸気側ピストン斜面５３は、燃焼室基準線Ｌ２と直交する平面に対しておよそ５度で傾斜していることになる。

また、各ピストン斜面は、吸気側ピストン斜面５３に沿って延びる仮想面（吸気側仮想面）Ｆ２１と燃焼室基準線Ｌ２との交点Ｐ２１の方が、排気側ピストン斜面５４に沿って延びる仮想面（排気側仮想面）Ｆ２２と燃焼室基準線Ｌ２２との交点Ｐ２２よりも下側に位置するように形成されている。

なお、本実施形態では、吸気側ピストン斜面５３の方が、排気側ピストン斜面５４よりも径方向外側および下方の位置まで広がっている。ただし、図５の断面において、燃焼室基準線Ｌ２と直交して排気側ピストン斜面５４の下端を通るラインＬ１０上における、燃焼室基準線Ｌ２と吸気側ピストン斜面５３との離間距離と、燃焼室基準線Ｌ２から排気側ピストン斜面５４との離間距離とはほぼ同じである。

（４）制御系統
（４−１）システム構成
図７は、エンジンの制御系統を示すブロック図である。本図に示すように、当実施形態のエンジンシステムは、ＰＣＭ（パワートレイン・コントロール・モジュール、制御手段）１００によって統括的に制御される。ＰＣＭ１００は、周知のとおり、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等から構成されるマイクロプロセッサである。

ＰＣＭ１００は、エンジンの運転状態を検出するための各種センサと電気的に接続されている。

例えば、シリンダブロック３には、クランク軸の回転角度および回転速度すなわちエンジン回転数を検出するクランク角センサＳＮ１が設けられている。また、吸気通路３０には、エアクリーナ３１を通過して各気筒２に吸入される空気量（新気量）を検出するエアフローセンサＳＮ２が設けられている。また、車両には、運転者により操作される図外のアクセルペダルの開度（アクセル開度）を検出するアクセル開度センサＳＮ３が設けられている。

ＰＣＭ１００は、上記各種センサからの入力信号に基づいて種々の判定や演算等を実行しつつエンジンの各部を制御する。すなわち、ＰＣＭ１００は、スロットルバルブ３２、吸気開閉時期変更機構１５ａ、燃料噴射装置２１、ＥＧＲバルブ５２、点火プラグ２２等と電気的に接続されており、上記演算の結果等に基づいてこれらの機器にそれぞれ駆動用の制御信号を出力する。

具体的には、ＰＣＭ１００は、アクセル開度とエンジン回転数等から求められるエンジン負荷の要求値に応じて燃料の噴射量を算出して、これに対応する燃料を燃料噴射装置２１に噴射させる。また、ＰＣＭ１００は、図８に示す運転領域に応じて噴射モード等を変更する。図８は、横軸がエンジン回転数、縦軸がエンジン負荷のマップであり、本実施形態では、運転領域として、大きく、エンジン負荷が予め設定された基準負荷Ｔ１未満の低負荷領域Ａ１と、エンジン負荷が基準負荷Ｔ１以上の高負荷領域Ａ２とに分けられている。また、低負荷領域Ａ１が、エンジン負荷に応じて第１領域Ａ１＿ａと、第２領域Ａ１＿ｃと、切替領域Ａ１＿ｂとに分けられている。各領域の制御内容について以下に説明する。

（４−２）低負荷領域
低負荷領域Ａ１では、燃料と空気との混合気を予め混合させて、この混合気を圧縮上死点（ＴＤＣ）付近で自着火させる予混合圧縮自着火燃焼が実施される。そのため、低負荷領域Ａ１では、点火プラグ２２の駆動は停止される。

また、低負荷領域Ａ１では、冷却損失をより小さく抑えるべく、吸気弁１３の閉弁時期が吸気下死点よりも遅角側の時期に制御される。

すなわち、吸気弁１３の閉弁時期をより遅角側とすれば、吸気弁１３が閉弁してから圧縮上死点までの時間すなわち吸気が圧縮される時間を短くすることができる。そして、圧縮されることに伴って高温となった吸気と気筒２の壁面（燃焼室８の壁面）との接触時間を短く抑えることができる。従って、吸気弁１３の閉弁時期をより遅角側とすれば、上記接触に伴って高温の吸気から気筒２の壁面を介して外部に放出される熱エネルギーを小さく抑えることができる。そこで、低負荷領域Ａ１では、上記のように、吸気開閉時期変更機構１５ａによって、吸気弁１３の閉弁時期を吸気下死点よりも遅角側の時期に制御する。ここで、吸気弁１３の閉弁時期を吸気下死点よりも遅角側とすれば、ポンピングロスを小さく抑えることもでき、エネルギー効率をより高めることができる。なお、吸気弁１３の閉弁時期を吸気下死点よりも遅角側とすると有効圧縮比が小さくなるが、低負荷領域Ａ１は、エンジン負荷が小さい領域であるため、有効圧縮比を小さくしても要求に応じたエンジン出力を確保することができる。

また、低負荷領域Ａ１では、混合気の発熱量が小さく燃焼温度が比較的低いため、燃焼により生成されるＮＯｘ（いわゆるＲａｗ ＮＯｘ）が少なく抑えられる。そのため、この領域Ａ１では、三元触媒４１によりＮＯｘを浄化させる必要がなく、空燃比を三元触媒によるＮＯｘ浄化が可能な理論空燃比にする必要がない。そこで、低負荷領域Ａ１では、燃費性能を高めるべく混合気の空燃比がリーンすなわち空気過剰率λ＞１とされる。

また、低負荷領域Ａ１では、ＥＧＲガスが気筒２内に還流される。すなわち、低負荷領域Ａ１では、ＥＧＲバルブ５２が開弁されて、排気通路４０内の排ガスの一部がＥＧＲガスとして吸気通路３０に還流される。

本実施形態では、低負荷領域Ａ１において、燃料量に対する燃焼室８内の全ガス重量の割合であるＧ／Ｆが３５以上となるようにＥＧＲガスが還流される。また、エンジン負荷が高いほどＥＧＲ率（気筒２内の全ガス重量のうちＥＧＲガスの重量が占める割合）が大きくされる。

また、低負荷領域Ａ１では、圧縮上死点付近すなわち燃焼室８内での混合気の燃焼開始直前において、燃焼室８の中央部分、詳細には、キャビティ７の中央部分に、燃料濃度の高い混合気が形成されて、燃焼室８内（キャビティ７内）において、中央部分の方が外周部分よりも燃料濃度が高い成層化された混合気が形成されるように、圧縮行程後半（圧縮上死点前９０°ＣＡ〜圧縮上死点まで）に、燃料噴射装置２１からすべての燃料（１燃焼サイクルで噴射される燃料の全量）がキャビティ７内に噴射される。例えば、圧縮上死点前３０°ＣＡ付近で全燃料が燃焼室８内に噴射される。

本実施形態では、混合気の燃焼開始直前において燃焼室８（キャビティ７）の外周部分に燃料をほぼ含まないガス層（以下、適宜、非燃焼ガス層という）が形成されるように、すなわち、燃焼室８（キャビティ７）の外周部分の燃料濃度がほぼゼロとなるように、エンジン負荷に応じて噴射モードが切り替えられるようになっている。

具体的には、低負荷領域Ａ１のうちよりエンジン負荷が低い第１領域Ａ１＿ａと、これよりもエンジン負荷の高い第２領域Ａ１＿ｃと、第１領域Ａ１＿ａと第２領域Ａ１＿ｃとの切替領域Ａ１＿ｂとにおいて、それぞれ噴射モードが、それぞれ図９（ａ）〜（ｃ）に示される第１噴射モード、第２噴射モード、切替領域噴射モードとされる。以下、各噴射モードの詳細について説明する。

図９（ａ）は、低負荷領域Ａ１のうちよりエンジン負荷が低い第１領域Ａ１＿ａで実施される第１噴射モードである。第１噴射モードでは、燃料噴射装置２１のリフト量が小さくかつ噴射間隔が短い噴射が複数回連続して行われる。なお、噴射回数は図の例に限らず適宜変更可能である。

上記のように、噴射間隔が短いと燃料噴霧は軸方向に長くなる。そして、リフト量が小さいと燃料噴霧の径方向の外方への広がりは抑制される。従って、第１噴射モードでは、燃料噴霧および燃料と空気との混合気は、径方向に対して軸方向の長さが相対的に長い縦長形状となる。ここで、第１領域Ａ１＿ａはエンジン負荷が特に低く、噴射される燃料量が小さい。そのため、混合気層が縦長形状とされつつその軸方向の長さは短く抑えられる。従って、燃焼室８の外周部分に非燃焼ガス層を形成することが可能となる。

図９（ｃ）は、第２領域Ａ１＿ｃで実施される第２噴射モードである。第２噴射モードでは、燃料噴射装置２１のリフト量が第１噴射モードのリフト量よりも大きくかつ噴射間隔が第１噴射モードよりも長い噴射が複数回連続して行われる。なお、噴射回数は図の例に限らず適宜変更可能である。

上記のように、噴射間隔が長いと燃料噴霧は軸方向に短くなる。そして、リフト量が大きいと燃料噴霧は径方向の外方へ広がる。従って、第２噴射モードでは、燃料噴霧および混合気は、軸方向に対して径方向の長さが相対的に長い横長形状となる。ここで、圧縮上死点付近における燃焼室８の寸法は軸方向よりも径方向の方が長く、径方向については空間に余裕がある。そのため、横長形状であっても燃焼室の壁面までは混合気は到達しない。従って、燃焼室８の外周部分に非燃焼ガス層を形成することが可能となる。

図９（ｂ）は、切替領域Ａ１＿ｂで実施される切替領域噴射モードである。切替領域噴射モードは、第１噴射モードと第２噴射モードとを組み合わせたモードである。例えば、図９（ｂ）に示すように、第２噴射モードの噴射を行った後（リフト量が大きくかつ噴射間隔が長い噴射を複数回連続させた後）、第１噴射モードの噴射を行う（リフト量が小さくかつ噴射間隔が短い噴射を複数回連続させる）。なお、これに代えて、第１噴射モードの噴射を行った後、第２噴射モードの噴射を行ってもよい。また、噴射回数は図の例に限らず適宜変更可能である。

切替領域噴射モードでは、第１噴射モードと第２噴射モードとの組み合わせにより、混合気層の特に径方向の外方への広がりが調整される。その結果、混合気層は、第１噴射モード時の混合気層よりも長くかつ、第２噴射モードの混合気層よりも短い形状となる。これにより、第１領域Ａ１＿ａと第２領域Ａ１＿ｃとの境界領域である切替領域Ａ１＿ｂでは、混合気の軸方向および径方向の広がりが適切に調整されて、燃焼室８の外周部分に非燃焼ガス層を形成することが可能となる。

なお、切替領域噴射モードは省略可能である。また、本実施形態では、上記のように、低負荷領域Ａ１では、空気過剰率λが１より大きくされて燃焼に寄与しない余剰の空気が存在するため、上記のように燃焼室８の外周部分に空気層が形成されても、燃焼室８の中央部分には燃焼に必要な空気が確保され、この部分の空燃比は適正な範囲におさめられる。

（４−３）高負荷領域
高負荷領域Ａ２での制御について簡単に説明する。

高負荷領域Ａ２では、スモークの悪化を抑制するべく、燃焼室８内の混合気がより均質化された状態（空燃比が均一とされた状態）で燃焼が開始するように圧縮行程後期から吸気行程初期にかけて燃料が噴射されるとともに、燃焼室８全体に形成された混合気に点火が行われて、これにより燃焼が開始される。

また、高負荷領域Ａ２では、三元触媒によるＮＯｘ浄化が可能となるように、空燃比が理論空燃比とされる。すなわち、空気過剰率λが１とされる。また、高負荷領域Ａ２では、ＥＧＲバルブ５２が閉弁側に設定されてＥＧＲガスの還流が縮小あるいは停止され、Ｇ／Ｆが３５より小さい値とされる。

（５）作用等
以上のように、本実施形態では、低負荷領域Ａ１において、燃焼室８（キャビティ７）内に中央部分の燃料濃度の方が外周部分の燃料濃度よりも高い混合気が形成されるように、圧縮行程後期にキャビティ７内に燃料が噴射される。そのため、燃焼室８の壁面近傍で生成される燃焼ガスの量を少なく抑えることができる。特に、本実施形態では、圧縮上死点前において燃料が複数回に分けて噴射されることによって、さらには、エンジン負荷に応じて上記各噴射モードが実施されることによって、燃焼室８の壁面近傍に燃料をほとんど含まない非燃焼ガスの層の形成が可能となる。従って、燃焼ガスと燃焼室８の壁面との接触を抑制することができ、燃焼室８の壁面から外部に放出される燃焼ガスの熱エネルギーの増大すなわち冷却損失の増大を抑制して燃費性能を高めることができる。

しかも、本実施形態では、吸気側ピストン斜面５３が、径方向内側に向かって燃焼室８の天井面８０からの離間距離が大きくなるように構成され、吸気側ピストン斜面５３と吸気側燃焼室斜面８３とがなす角度β１が、排気側ピストン斜面５４と排気側燃焼室斜面８４とがなす角度β２よりも大きく設定され、かつ、燃焼室基準線Ｌ２と吸気側ピストン斜面５３に沿って延びる仮想面Ｆ２１との交点Ｐ２１が、燃焼室基準線Ｌ２と排気側ピストン斜面５４に沿って延びる仮想面Ｆ２２との交点Ｐ２２よりも下側つまり燃焼室８の天井面８０から離間する側に位置するように構成されている。そのため、以下に説明するように、燃焼ガスと燃焼室８の壁面との接触をより効果的に抑制することができる。

図１０（ａ）〜（ｄ）は、本実施形態に係るエンジンの気筒２内の吸気の流れを模式的に示した図である。図１１は、図１０（ｄ）を拡大して示した図である。図１２（ａ）〜（ｄ）は、比較例に係るエンジンの気筒２内の吸気の流れを模式的に示した図である。図１３は、図１２（ｄ）を拡大して示した図である。図１０、図１２において、（ａ）〜（ｄ）は、それぞれ吸気行程から圧縮行程にかけての各クランク角での吸気の流れを順に示している。

比較例に係るエンジンは、図１４に示すように、吸気側ピストン斜面１５３が本実施形態に係る排気側ピストン斜面１５４と同様に傾斜しており、各ピストン斜面１５３，１５４が、いずれも対向する各燃焼室斜面８３，８４とほぼ平行に延びるとともに、これらピストン斜面１５３，１５４に沿って延びる仮想面Ｆ１２１，Ｆ１２２と燃焼室基準線Ｌ２との交点Ｐ１２１，Ｐ１２２がほぼ一致するように構成されたものである。

なお、また、図１０〜図１４は、図５に対応しており、図３のＶ−Ｖ線についての断面図である。

まず、比較例について説明する。

図１２（ａ）に示すように、吸気行程中、吸気ポート１１から気筒２内に向かって吸気（空気とＥＧＲガスとを含むガス）が流入する。このとき、気筒２内には、タンブル流が発生し、吸気ポート１１からピストン冠面５０に向かって排気側寄りの部分を通過しながら下降した後、ピストン冠面５０付近から吸気側を通って上昇する吸気の流れが生じる。すなわち、排気側では吸気は主に下降し、吸気側では吸気は主に上昇する。

その後、吸気下死点を超えてピストン５が上昇を開始すると、図１２（ｂ）に示すように、ピストン５に押しあげられることで気筒２内の吸気側において生じている吸気の上向きの流れは強くなる。特に、このとき吸気弁１３が開弁していると、気筒２内の吸気は吸気ポート１１に向かって流れ、吸気側の上向きの吸気の勢いはより強くなる。

さらにピストン５が上昇して吸気弁１３が閉弁すると、図１２（ｃ）に示すように、上昇した吸気は吸気弁１３に衝突し、燃焼室８の天井面８０に沿って排気側に移動するようになる。この流れは圧縮上死点付近でも残り、図１２（ｄ）に示すように、圧縮上死点付近において、気筒２内（燃焼室８内）では、燃焼室８の天井面８０に沿って吸気側から排気弁側に向かうタンブル流に起因した流が形成される。

ここで、圧縮上死点付近では、図１３の矢印Ｙ，Ｙ２に示すように、ピストン斜面１５３，１５４と燃焼室斜面８３，８４との間の隙間（いわゆるスキッシュエリア）からキャビティ７側に向かって吸気が移動し、燃焼室８内にはいわゆるスキッシュ流が発生する。

ただし、上記のように、比較例では、吸気側ピストン斜面１５３と排気側ピストン斜面１５４とがいずれも対向する燃焼室斜面１８３，１８４と平行に延び、かつ、これらピストン斜面１５３，１５４に沿う仮想面Ｆ１２１，Ｆ１２２と燃焼室基準線Ｌ２との交点Ｐ１２１，Ｐ１２２とが一致するように構成されている。

そのため、吸気側のスキッシュ流（吸気側ピストン斜面１５３と吸気側燃焼室斜面１８３との間からキャビティ７に向かう吸気の流れ）の勢いと、排気側のスキッシュ流（排気側ピストン斜面１５４と吸気側燃焼室斜面１８４との間からキャビティ７に向かう吸気の流れ）の勢いとはほぼ同等になる。また、吸気側のスキッシュ流の向きと排気側スキッシュ流の向きとは、燃焼室基準線Ｌ２に対してほぼ対称となる。そのため、これらスキッシュ流は互いに打ち消され、燃焼室８には、タンブル流に起因する上記吸気側から排気側に向かう吸気の流れのみが残ることになる。

この結果、比較例では、図１３に示すように、上記本実施形態に係る各噴射モードで燃料を噴射しても圧縮上死点付近において混合気が燃焼室８の天井面８０に沿って排気側に流れてしまい、混合気Ｑは図１３に示すように燃焼室８の天井面８０に沿うように形成されてしまう。そして、混合気ひいては燃焼ガスと燃焼室８の天井面８０とが接触する。特に、燃焼室８の天井面８０の排気側の部分（排気側燃焼室斜面８４）と燃焼ガスとが広い領域で接触してしまう。

一方、本実施形態でも、図１０（ａ）〜（ｃ）に示すように、圧縮上死点付近に至るまでの間は、比較例と同様に燃焼室８内には吸気側において上方に向かう比較的強い吸気流れが生じる。また、本実施形態でも、図１０（ｄ）に示すように、圧縮上死点付近においてピストン斜面５３，５４と燃焼室斜面８３，８４との隙間からそれぞれキャビティ７側に向かうスキッシュ流が発生する。

しかしながら、本実施形態では、吸気側ピストン斜面５３と吸気側燃焼室斜面８３とがなす角度β１の方が、排気側ピストン斜面５４と排気側燃焼室斜面８４とがなす角度β２よりも大きく設定されている。そのため、吸気側のスキッシュ流の勢い（流速）は、排気側のスキッシュ流の勢い（流速）よりも小さく抑えられる。

さらに、本実施形態では、吸気側ピストン斜面５３に沿う仮想面Ｆ２１と燃焼室基準線Ｌ２との交点Ｐ２１の方が、排気側ピストン斜面５４に沿う仮想面Ｆ２２と燃焼室基準線Ｌ２との交点Ｐ２２よりも下方に位置している。そのため、吸気側ピストン斜面５３に沿って流れる吸気側のスキッシュ流は、排気側ピストン斜面に沿って流れる排気側のスキッシュ流よりも下側を通過することになり、天井面８０付近において吸気側から排気側への吸気の勢いが弱くなる。従って、燃焼室８の天井面８０付近において、排気側のスキッシュ流の勢いの方が吸気側のスキッシュ流の勢いよりも十分に強くなる。

また、吸気側のスキッシュ流がより下側を通過することで、燃料噴射装置２１から噴射された後、速度がある程度低下した燃料噴霧に吸気側のスキッシュ流を当てることができる。そのため、燃料噴霧およびこれと空気との混合気を効果的に吸気側スキッシュ流にのせて移動させることができ、混合気がタンブル流に起因する流れにのって燃焼室８の天井面８０側に移動するのを効果的に抑制することができる。

すなわち、横軸を時間として噴霧の到達距離を示した図１５のように、噴霧の到達距離が非常に短いときは噴霧の速度（図１５に示すラインの傾き）は非常に速い。そのため、燃料噴射装置２１のノズル口２１ｂ近傍では、燃料噴霧は周囲の吸気の流れからほとんど影響を受けない。これに対して、噴霧の到達距離が所定値以上になると、噴霧の速度は遅くなり、吸気の流れに影響を受けやすくなる。そのため、上記のように、吸気側のスキッシュ流をより下側すなわちノズル口２１ｂからより遠い位置を通過するように構成すれば、速度が比較的遅くなった燃料噴霧に吸気側のスキッシュ流を当てて、燃料噴霧を吸気側のスキッシュ流にのせて効果的に径方向内側に移動させることができる。

このようにして、本実施形態では、タンブル流に起因して燃焼室８の天井面８０に沿って吸気側から排気側に向かう吸気を、排気側のスキッシュ流によって吸気側に押し戻すことができ、図１１に示すように、燃焼室８の天井面８０と混合気Ｑひいては燃焼ガスとの接触が抑制されて、燃焼ガスの周囲に非燃焼ガスの層を形成することができる。

（６）変形例
上記実施形態では、吸気側ピストン斜面５３と吸気側燃焼室斜面８３とのなす角度β１を５度とした場合について説明したが、この角度β１の具体的な値はこれに限らない。

ただし、この角度β１を小さくしすぎると、吸気側スキッシュ流が燃焼室８の天井面８０に近い位置を通過することになるため、燃焼室８の天井面８０に沿って吸気側から排気側に向かう吸気流れの勢いを十分に弱くすることが難しくなる。

一方、この角度β１を大きくしすぎると、今度は、吸気側スキッシュ流が過剰に下方を通過することになり、吸気が燃焼室８（キャビティ７）の底面に向かって流れやすくなり、混合気および燃焼ガスとキャビティ７の底面すなわち燃焼室８の壁面と接触しやすくなる。

そこで、吸気側ピストン斜面５３と吸気側燃焼室斜面８３とのなす角度β１は所定の範囲内とするのが好ましい。

これについて、本願発明者らは、吸気側ピストン斜面５３と吸気側燃焼室斜面８３とのなす角度β１と、混合気が燃焼室８の壁面と接触する面積との関係を調べた。その結果、図１６に示すような結果を得た。図１６は、横軸を角度β１とし、縦軸を接触面積としたグラフである。この図１６に示すように、吸気側ピストン斜面５３と吸気側燃焼室斜面８３とのなす角度β１を２度よりも小さくすると、混合気と燃焼室８の壁面との接触面積は急増する。また、この角度β１を１５度より大きくしても、接触面積は急増する。従って、吸気側ピストン斜面５３と吸気側燃焼室斜面８３とのなす角度β１としては、２度以上１５度以下に設定されるのが好ましい。なお、図１６は、排気側ピストン斜面５４と排気側燃焼室斜面８４とのなす角度β２を２度としたときの結果であるが、図１６に示した角度β１と接触面積との関係は、角度β２の値を変更すると、その値より小さい側は接触面積が大きくなり，その値より大きい側は１５度まで接触面積が小さくなる同じ傾向となり、角度β１を２度以上１５度以下とすれば上記接触面積が小さく抑えられる。

また、上記実施形態では、排気側ピストン斜面５４と排気側燃焼室斜面８４とを平行として、これらのなす角度β２を０度とした場合について説明したが、この角度β２の具体的な値はこれに限らない。

ただし、この角度β２を大きくしすぎると、排気側スキッシュ流の勢いが小さくなって、タンブル流に起因する吸気側から排気側への吸気の流れに十分に抗することができない。そのため、この角度β２は所定値以下に抑えるのが好ましい。

これについて、本願発明者らは、排気側ピストン斜面５４と排気側燃焼室斜面８４とのなす角度β２と、混合気が燃焼室８の壁面と接触する面積との関係を調べた。その結果、図１７に示すような結果を得た。図１７は、横軸を角度β２とし、縦軸を接触面積としたグラフである。この図１７に示すように、排気側ピストン斜面５４と排気側燃焼室斜面８４とのなす角度β２を１３度よりも大きくすると、混合気と燃焼室８の壁面との接触面積は急増する。従って、排気側ピストン斜面５４と排気側燃焼室斜面８４とのなす角度β２としては、１３度以下に設定されるのが好ましい。なお、この角度β２を０度未満とした場合、すなわち、排気側ピストン斜面５４を、径方向内側に向かって排気側燃焼室斜面８４に近づくように傾斜させた場合には、適切な排気スキッシュ流が得られないため、この角度β２は０度以上であるのが好ましい。また、図１７は、吸気側ピストン斜面５３と吸気側燃焼室斜面８３とのなす角度β１を１５度としたときの結果であるが、図１７に示した角度β２と接触面積との関係は、角度β１の値を変更してもその値より小さい側が０度まで接触面積が小さくなる同じ傾向となり、角度β１を１３度以下とすれば上記接触面積が小さく抑えられる。

また、上記実施形態では、各燃焼室斜面８３，８４が、燃焼室基準線Ｌ２と直交する平面に対しておよそ２０度傾斜している場合について説明したが、この傾斜角度はこれに限らない。また、吸気側燃焼室斜面８３の上記平面に対する傾斜角度と、排気側燃焼室斜面８４の上記壁面に対する傾斜角度とは異なるように設定されてもよい。

また、上記実施形態では、低負荷領域Ａ１において図９（ａ）〜（ｃ）に示す噴射モードで燃料を噴射した場合について説明したが、低負荷領域Ａ１では、燃焼開始直前の燃焼室８内の燃料濃度がその中央部分の方がその外周部分よりも高くなるように圧縮行程後期に燃料が噴射されればよく、具体的な噴射パターンはこれに限らない。ただし、圧縮行程後期において複数回に分けて燃料を噴射すれば、燃料の到達距離を短く抑えることができ、燃料濃度をより確実に成層化することができる。また、図９（ａ）〜（ｃ）に示す噴射モードとすれば、燃焼室８の外周部分に非燃焼ガスの層を形成することができ、冷却損失をより確実に小さく抑えることができる。

また、断熱材７１は省略可能である。ただし、断熱材７１を設ければ、より効果的に冷却損失を小さく抑えることができる。

また、燃料として、ガソリンを含まない燃料が用いられてもよい。

１ エンジン本体
２ 気筒
５ ピストン
７ キャビティ
１１ 吸気ポート
１２ 排気ポート
１３ 吸気弁
１４ 排気弁
２１ 燃料噴射装置
５０ ピストンの冠面
５３ 吸気側ピストン斜面
５４ 排気側ピストン斜面
８０ 燃焼室の天井面
８３ 吸気側燃焼室斜面
８４ 排気側燃焼室斜面
Ｌ２ 燃焼室基準線
Ｐ１ 燃焼室の天井面の頂部
Ｆ２１ 仮想面（吸気側仮想面）
Ｆ２２ 仮想面（排気側仮想面）

Claims (4)

1. ピストンが上下方向に往復動可能に嵌装された気筒と、当該気筒内に燃料を噴射する燃料噴射装置と、上記気筒内にタンブル流を発生させつつ吸気を導入可能な吸気ポートと、排気ポートとを備えた直噴エンジンの燃焼室構造であって、
   上記燃焼室の天井面は、ペントルーフ状を呈し、上記吸気ポートが開口する吸気側と上記排気ポートが開口する排気側とにそれぞれ当該天井面の頂部から径方向外側に向かって下方に傾斜する吸気側燃焼室斜面と排気側燃焼室斜面とを備え、
   上記ピストンの冠面は、上記燃焼室の天井面の中央部分と対向して下方に凹むキャビティと、上記ピストンが上死点にある状態で上記吸気側燃焼室斜面と上記排気側燃焼室斜面とにそれぞれ対向して上記キャビティの外周縁から上記気筒の径方向外側に向かってそれぞれ下方に傾斜する吸気側ピストン斜面と排気側ピストン斜面とを備え、
   上記燃料噴射装置は、上記キャビティの内側に向けて燃料を噴射するようにその先端が上記燃焼室の天井面の頂部付近に位置するように取り付けられているとともに、エンジン負荷が予め設定された基準負荷未満の低負荷領域において、上記燃焼室の中央部分の方が外周部分よりも燃焼開始直前の燃料濃度が高くなるように圧縮行程後期に燃料を噴射し、
   上記吸気側ピストン斜面は、上記気筒の径方向内側に向かって上記燃焼室の天井面からの離間距離が大きくなるように、且つ、当該吸気側ピストン斜面と上記吸気側燃焼室斜面とがなす角度の方が上記排気側ピストン斜面と上記排気側燃焼室斜面とがなす角度よりも大きくなるように傾斜しており、
   上記吸気側ピストン斜面は、上記燃料噴射装置の先端を通り上記気筒の中心軸と平行に延びる燃焼室基準線と上記吸気側ピストン斜面に沿って延びる吸気側の仮想面との交点が、上記燃焼室基準線と上記排気側ピストン斜面に沿って延びる排気側の仮想面との交点よりも下側に位置するように配置されていることを特徴とする直噴エンジンの燃焼室構造。
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、
   上記吸気ポートおよび上記排気ポートは、上記燃焼室の天井面にそれぞれ２つずつ設けられており、
   上記ピストン冠面には、上記２つの吸気ポートをそれぞれ開閉する２つの吸気弁とそれぞれ対向する位置に設けられて上記燃焼室の天井面から離間する方向に凹む２つの吸気側バルブリセスと、上記２つの排気ポートをそれぞれ開閉する２つの排気弁とそれぞれ対向する位置に設けられて下方に凹む２つの排気側バルブリセスとが形成されており、
   上記吸気側ピストン斜面は、上記吸気側バルブリセスの表面により構成され、
   上記排気側ピストン斜面は、上記排気側バルブリセスの表面により構成されていることを特徴とする直噴エンジンの燃焼室構造。
3. 請求項１または２に記載の直噴エンジンの燃焼室構造において、
   上記吸気側ピストン斜面と上記吸気側燃焼室斜面とのなす角度は、２度以上１５度以下の所定角度に設定されていることを特徴とする直噴エンジンの燃焼室構造。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載の直噴エンジンの燃焼室構造において、
   上記排気側ピストン斜面と上記排気側燃焼室斜面とのなす角度は、０度以上１３度以下の所定角度に設定されていることを特徴とする直噴エンジンの燃焼室構造。
   

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