特許 7556270 エンジンの燃焼室構造

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-09-17

(45)【発行日】2024-09-26

(54)【発明の名称】エンジンの燃焼室構造

(51)【国際特許分類】

   F02B 23/10 20060101AFI20240918BHJP

   F02B 23/08 20060101ALI20240918BHJP

   F02F 3/24 20060101ALI20240918BHJP

【ＦＩ】

F02B23/10 310E

F02B23/08 V

F02F3/24

【請求項の数】 4

(21)【出願番号】P 2020195037

(22)【出願日】2020-11-25

(65)【公開番号】P2022083616

(43)【公開日】2022-06-06

【審査請求日】2023-09-19

(73)【特許権者】

【識別番号】000003137

【氏名又は名称】マツダ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100115381

【弁理士】

【氏名又は名称】小谷 昌崇

(74)【代理人】

【識別番号】100176304

【弁理士】

【氏名又は名称】福成 勉

(72)【発明者】

【氏名】上村 匠

(72)【発明者】

【氏名】平林 千典

(72)【発明者】

【氏名】小松 央

(72)【発明者】

【氏名】山本 啓介

【審査官】稲本 遥

(56)【参考文献】

【文献】特開昭６０－０６０２１５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１０－０７７８５７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平１１－１８２３３７（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許第０５８１６２２９（ＵＳ，Ａ）

【文献】特開２０１１－０２１５６４（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ０２Ｂ １／００－２３／１０

Ｆ０２Ｆ ３／００－ ３／２８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ピストンの冠面と、前記ピストンが摺動可能に収容されるシリンダの内壁面と、シリンダヘッドに形成されたペントルーフ型の天井面とによって区画される燃焼室を備え、前記燃焼室の幾何学的圧縮比が１３．５以上１５．５以下の範囲内に設定されるエンジンの燃焼室構造であって、
前記エンジンは、前記燃焼室にスワール流を生成するスワール生成機構を備え、
前記天井面には、前記燃焼室に吸気を供給する吸気ポートの開口と、前記燃焼室から排気を排出する排気ポートの開口とが形成され、前記吸気ポートが配設される側を吸気側、前記排気ポートが配設される側を排気側とするとき、前記燃焼室に燃料を噴射する燃料噴射部が、前記燃焼室の前記吸気側に配設され、
前記冠面に、
各々前記シリンダの軸方向と直交する方向に延びて、当該冠面の前記排気側の端縁付近に配置された排気側底部、及び前記吸気側の端縁付近に配置された吸気側底部と、
前記排気側底部から当該冠面の中央部に向けて上昇する排気側傾斜面と、前記吸気側底部から当該冠面の中央部に向けて上昇する吸気側傾斜面と、前記排気側傾斜面の上端と前記吸気側傾斜面の上端との間に窪みが存在しないように連続的に設けられ、当該冠面の中央部において前記シリンダの軸方向と直交する方向に延びて当該直交する方向に長い矩形状の平面と、によって形成される凸状の隆起部とが形成され、
前記隆起部の山高さをｈ、前記ピストンが上死点から下死点までシリンダ軸方向に移動する長さであるストロークをＬｓとするとき、
０．０４５＜ｈ／Ｌｓ＜０．０６５
の関係を満たすことを特徴とするエンジンの燃焼室構造。

【請求項2】

請求項１に記載のエンジンの燃焼室構造において、
前記平面の表面積は、前記排気側傾斜面の表面積と前記吸気側傾斜面の表面積との総和よりも大きい、エンジンの燃焼室構造。

【請求項3】

請求項１又は２に記載のエンジンの燃焼室構造において、
前記平面に対向する前記天井面には、前記燃焼室内において火炎伝播燃焼を実現させる点火部が配置されている、エンジンの燃焼室構造。

【請求項4】

請求項１～３の何れかに記載のエンジンの燃焼室構造において、
前記スワール生成機構は、前記吸気ポートの一部を開閉可能なスワール弁と、当該スワール弁を駆動するアクチュエータと、を含む、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、ペントルーフ型の天井面を有する燃焼室を備えたエンジンの燃焼室構造に関する。

【背景技術】

【0002】

熱効率の改善、燃費性能の向上等の目的で、エンジンの燃焼室の構造、とりわけピストンの構造について日々研究がなされている。例えば特許文献１には、ペントルーフ型の天井面を備えた燃焼室において、ピストン冠面にキャビティと、前記天井面の形状に沿った傾斜面とを具備させる構造が開示されている。この燃焼室構造によれば、タンブル流の減速を抑制して燃焼を促進し、燃費性能が向上する。また、燃費性能の向上に端的に有効な手段は、圧縮比を高く設定することである。高圧縮比化を図ると共に、上記のような燃焼室の形状的工夫等を施すことで、より燃費性能を向上させることが可能となる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０１８－１６２７３３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

一般に、市販自動車に搭載されるエンジンの製造においては、例えば排気量のラインナップが１．５Ｌ、２．０Ｌ、２．５Ｌというように、排気量の異なる複数種のエンジンを製造する必要がある。エンジンの排気量が異なると、ボア径又はストロークも異なることとなる。すると、燃焼室内における筒内流動も変化する。とりわけ、シリンダ軸回りの旋回流を形成するスワール流は、ボア径又はストロークの変化に影響を受ける。すなわち、スワール流は、エンジン排気量が異なると、エンジン回転数や負荷が同じでも、その流動が変化する。

【0005】

スワール比が変化すると、スワール流に助力される火炎伝播燃焼の進展度合いも変化する等の要因で、燃焼室内の混合気の燃焼に差異が生じる。つまり、燃費性能が変動する。このため、高圧縮比化及び燃焼室の形状的工夫を施して燃費性能の向上を図らんとしても、スワール流の挙動が排気量の異なるエンジン間で変動してしまうと、同じエンジン回転数及び同じ負荷で同等の燃焼、つまり燃費性能を向上できる燃焼を、各エンジンで実現できなくなる。このため、例えば燃焼シミュレーション等において、スワール流の流動に応じたキャリブレーションが排気量毎に必要となり、これがエンジン開発のネックになっている。

【0006】

本発明の目的は、排気量の異なる複数種のエンジンを製造する場合に、同じエンジン回転数及び同じ負荷で同等の燃焼を各排気量のエンジンで実現できる、エンジンの燃焼室構造を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明の一局面に係るエンジンの燃焼室構造は、ピストンの冠面と、前記ピストンが摺動可能に収容されるシリンダの内壁面と、シリンダヘッドに形成されたペントルーフ型の天井面とによって区画される燃焼室を備え、前記燃焼室の幾何学的圧縮比が１３．５以上１５．５以下の範囲内に設定されるエンジンの燃焼室構造であって、前記エンジンは、前記燃焼室にスワール流を生成するスワール生成機構を備え、前記天井面には、前記燃焼室に吸気を供給する吸気ポートの開口と、前記燃焼室から排気を排出する排気ポートの開口とが形成され、前記吸気ポートが配設される側を吸気側、前記排気ポートが配設される側を排気側とするとき、前記燃焼室に燃料を噴射する燃料噴射部が、前記燃焼室の前記吸気側に配設され、前記冠面に、各々前記シリンダの軸方向と直交する方向に延びて、当該冠面の前記排気側の端縁付近に配置された排気側底部、及び前記吸気側の端縁付近に配置された吸気側底部と、前記排気側底部から当該冠面の中央部に向けて上昇する排気側傾斜面と、前記吸気側底部から当該冠面の中央部に向けて上昇する吸気側傾斜面と、前記排気側傾斜面の上端と前記吸気側傾斜面の上端との間に窪みが存在しないように連続的に設けられ、当該冠面の中央部において前記シリンダの軸方向と直交する方向に延びて当該直交する方向に長い矩形状の平面と、によって形成される凸状の隆起部とが形成され、前記隆起部の山高さをｈ、前記ピストンが上死点から下死点までシリンダ軸方向に移動する長さであるストロークをＬｓとするとき、０．０４５＜ｈ／Ｌｓ＜０．０６５の関係を満たすことを特徴とする。

【0008】

上記の燃焼室構造によれば、燃焼室は、凸状の隆起部を有する冠面、シリンダの内壁面及びペントルーフ型の天井面で区画される。この燃焼室構造では、ピストンの冠面の中央部に、前記シリンダの軸方向と直交する方向に延びる平面が設けられている。そのため、スワール生成機構により形成されるスワール流は、当該平面に沿って安定的に流動することとなる。また、この燃焼室構造は、０．０４５＜ｈ／Ｌｓ＜０．０６５の関係を満たす。このような燃焼室構造によれば、排気量が異なるエンジン間で、前記スワール流のスワール比を比較的高く、且つ、同等に揃えることが可能となる。従って、同じエンジン回転数及び同じ負荷で同等の燃焼を、各排気量のエンジンで実現できる。これにより、ある一つの排気量のエンジンについて燃焼形態を決めれば、他の排気量のエンジンにおいても同等の燃焼を実現できるので、エンジン開発の効率を高めることが可能となる。
また、上記の燃焼室構造によれば、前記燃焼室に燃料を噴射する燃料噴射部が、前記燃焼室の前記吸気側に配設されているので、燃料噴射部から噴霧された燃料をスワール流に乗せ易くなり、均質な混合気を燃焼室内に形成することができる。

【0009】

上記の燃焼室構造において、前記平面の表面積は、前記排気側傾斜面の表面積と前記吸気側傾斜面の表面積との総和よりも大きいことが望ましい。

【0010】

この燃焼室構造によれば、スワール流の排気側傾斜面への衝突が抑制され、前記平面に沿ってスワール流がより安定的に流動する。そのため、各排気量のエンジンにおいて形成されるスワール流のスワール比を同等に揃えるのに寄与する。

【0011】

上記の燃焼室構造において、前記平面に対向する前記天井面には、前記燃焼室内において火炎伝播燃焼を実現させる点火部が配置されていることが望ましい。

【0012】

この燃焼室構造によれば、スワール流が維持された状態で圧縮された吸気は、前記平面に対向する位置において乱流エネルギーが高い状態となる。このような位置に点火部が配置されることで、火炎伝播燃焼の燃焼速度を速めることができる。

【0015】

上記の燃焼室構造において、前記スワール生成機構は、前記吸気ポートの一部を開閉可能なスワール弁と、当該スワール弁を駆動するアクチュエータと、を含むものであるのが望ましい。

【0016】

この燃焼室構造によれば、吸気ポートの一部がスワール弁により閉じられることにより燃焼室内にスワール流が形成され、アクチュエータによりスワール弁の開度を変更することによりスワール比を調整することができる。そのため、燃焼室の構造的工夫だけでは実現できないスワール比の微調整が可能となる。

【発明の効果】

【0017】

本発明によれば、排気量の異なる複数種のエンジンを製造する場合に、同じエンジン回転数及び同じ負荷で同等の燃焼を各排気量のエンジンで実現できる、エンジンの燃焼室構造を提供することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】図１は、本発明に係るエンジンの燃焼室構造が適用されたエンジンの一例を示す概略断面図である。

【図2】図２は、前記エンジンが備える１つのシリンダの構造を示す模式的な斜視図である。

【図3】図３は、シリンダ及びその近傍の吸排気系の構造を示す概略平面図である。

【図4】図４は、ピストンの斜視図である。

【図5】図５は、ピストンの冠面の平面図である。

【図6】図６は、ピストンの冠面の側面図である。

【図7】図７は、図５のＶＩＩ－ＶＩＩ線断面図である。

【図8】図８（Ａ）及び（Ｂ）は、ピストンの山高さが異なるエンジンにおけるスワール流の流動を説明するための模式図である。

【図9】図９は、本発明の実施例及び比較例に係るエンジンの、スワール比に関するデータを纏めた表形式の図である。

【図10】図１０は、スワール比と山高さ／ストロークとの関係を示すグラフである。

【図11】図１１は、スワール比と山高さ／ボア径との関係を示すグラフである。

【図12】図１２は、ピストン冠面に関連する各種パラメータを付記した、ピストンの斜視図である。

【発明を実施するための形態】

【0019】

［エンジンの全体構成］
以下、図面に基づいて、本発明の実施形態に係るエンジンの燃焼室構造を詳細に説明する。図１は、本発明の実施形態に係る燃焼室構造が適用されたエンジンの概略断面図である。ここに示されるエンジンは、自動車等の車両の走行駆動用の動力源として前記車両に搭載される多気筒のガソリンエンジンである。エンジンは、エンジン本体１と、これに組付けられた図外の吸排気マニホールド及び各種ポンプ等の補機とを含む。

【0020】

エンジン本体１は、シリンダ２が内部に形成されたシリンダブロック３と、シリンダ２を上から閉塞するようにシリンダブロック３の上面に取り付けられたシリンダヘッド４と、シリンダ２内に収容されたピストン５とを有している。エンジン本体１は、典型的には複数の（例えば４つの）シリンダを有する多気筒型のものであるが、図１では簡略化のため、１つのシリンダ２のみを図示している。

【0021】

図２は、１つのシリンダ２の模式的な斜視図を示している。ピストン５は、シリンダ２のボア径Ｌｂに応じた外径を有する略円筒体であり、所定のストロークＬｓで往復摺動可能にシリンダ２内に収容されている。後記で詳述するが、ピストン５の上面である冠面５０には凸状の隆起部が形成されており、前記隆起部のＺ方向の長さに相当する山高さｈの平面５５が備えられている。ピストン５の下方には、エンジン本体１の出力軸であるクランク軸７が設けられている。クランク軸７は、ピストン５とコネクティングロッド８を介して連結され、ピストン５の往復運動に応じて中心軸回りに回転駆動される。

【0022】

ピストン５の上方には燃焼室６が区画されている。燃焼室６には、後述するインジェクタ１５からの噴射によって前記燃料が供給される。供給された燃料が燃焼室６で空気と混合されつつ燃焼し、その燃焼による膨張力で押し下げられたピストン５が上下方向に往復運動する。燃焼室６は、シリンダ２の内壁面と、ピストン５の冠面５０と、シリンダヘッド４の底面に形成された燃焼室天井面６Ｕ（吸気弁１１及び排気弁１２の各バルブ面を含む）とによって区画されている。燃焼室天井面６Ｕは、上向きに凸のペントルーフ型の形状を有する天井面である。

【0023】

シリンダ２の幾何学的圧縮比、つまりピストン５が上死点にあるときの燃焼室６の容積とピストン５が下死点にあるときの燃焼室６の容積との比は、１３．５以上の高圧縮比に設定することが望ましい。好ましい圧縮比の範囲は、１３．５以上１５．５以下の範囲である。このような高圧縮比に設定することで、燃費性能を向上させることができる。

【0024】

ペントルーフ型の燃焼室天井面６Ｕには、燃焼室６に向けて開口する吸気ポート９及び排気ポート１０が形成されている。吸気ポート９は、燃焼室６に吸気を供給するポートである。本実施形態の吸気ポート９は、タンブル流（縦渦）を形成可能なタンブルポートである。図２には、タンブル流Ｆｔの流動方向が付記されている。排気ポート１０は、燃焼室６から燃焼後の排気を排出するポートである。燃焼室天井面６Ｕには、吸気ポート９を開閉する吸気弁１１と、排気ポート１０を開閉する排気弁１２とが設けられている。

【0025】

本実施形態のエンジンのバルブ形式は、図２及び図３に示すように、吸気２バルブ×排気２バルブの４バルブ形式である。図３は、シリンダ２及びその近傍の吸排気系の構造を示す概略平面図である。吸気ポート９は、第１吸気ポート９Ａ及び第２吸気ポート９Ｂを有する。排気ポート１０は、第１排気ポート１０Ａ及び第２排気ポート１０Ｂを有する。吸気弁１１は、第１吸気ポート９Ａ及び第２吸気ポート９Ｂに対しそれぞれ１つずつ設けられ、排気弁１２は、第１排気ポート１０Ａ及び第２排気ポート１０Ｂに対しそれぞれ１つずつ設けられている。

【0026】

図３に示すように、第１、第２吸気ポート９Ａ、９Ｂのうち、第２吸気ポート９Ｂ（すなわち、吸気ポート９の一部）には、当該第２吸気ポート９Ｂを開閉可能なスワール弁１７（スワール生成機構）が設けられている。スワール弁１７は、ステッピングモータ等のアクチュエータ１８により駆動される。スワール弁１７が閉方向に駆動されると、スワール弁１７が設けられていない第１吸気ポート９Ａから燃焼室６に流入する吸気の割合が増大する。このため、シリンダ軸ＡＸ（燃焼室６の中心軸）の回りを旋回する旋回流、つまりスワール流を強化することができる。図３には、スワール流Ｆｓの流動方向が付記されている。逆に、スワール弁１７を開方向に駆動すればスワール流Ｆｓを弱めることができる。上述の通り、吸気ポート９はタンブルポートであため、スワール弁１７の閉時に形成されるスワール流Ｆｓは、タンブル流Ｆｔとミックスされた斜めスワール流となる。

【0027】

シリンダヘッド４には、吸気弁１１を駆動する吸気側動弁機構１３と、排気弁１２を駆動する排気側動弁機構１４とが配設されている。これら動弁機構１３、１４により、吸気弁１１及び排気弁１２がクランク軸７の回転に連動するように駆動される。この駆動により、吸気弁１１のバルブヘッドが吸気ポート９の開口部を開閉し、排気弁１２のバルブヘッドが排気ポート１０の開口部を開閉する。動弁機構１３、１４には、開閉タイミングを変更する図略の可変バルブタイミング機構が組み込まれている。

【0028】

シリンダヘッド４には、インジェクタ１５（燃料噴射部）及び点火プラグ１６（点火部）が組み付けられている。インジェクタ１５は、図略のフューエルシステムから供給される燃料を燃焼室６に噴射する。インジェクタ１５は、燃焼室天井面６Ｕの周縁であって、吸気ポート９が配設される吸気側に配置されている。このような配置とすれば、インジェクタ１５から噴霧された燃料が、前記斜めスワール流に合流し、当該斜めスワール流に乗って燃焼室６内全体に燃料が行き渡り易くなる。つまり、均質な混合気を燃焼室６内に形成させることができる。

【0029】

点火プラグ１６は、インジェクタ１５から燃焼室６に噴射された燃料と、吸気ポート９（９Ａ、９Ｂ）を通して燃焼室６に導入された空気とが混合された混合気に点火する。点火プラグ１６は、シリンダ軸ＡＸに沿うように、シリンダヘッド４に取り付けられている。点火プラグ１６の点火電極部は、燃焼室天井面６Ｕの径方向中央において燃焼室６内に露出し、ピストン５の冠面５０の平面５５に対向している。燃焼室６の混合気に点火プラグ１６から点火エネルギーが供給されると、燃焼室６では着火点を起点として火炎伝播燃焼が発生する。

【0030】

［ピストンの詳細構造］
続いて、図４～図７を参照して、ピストン５の構造、とりわけ冠面５０の構造について詳細に説明する。図４は、図１及び図２に示されたピストン５の斜視図、図５は、ピストン５の冠面５０の平面図、図６は、冠面５０の側面図、図７は、図５のＶＩＩ－ＶＩＩ線断面図である。

【0031】

図４～図７では、説明の明確性を担保するため、ＸＹＺの方向表示を付している。Ｚ方向はシリンダ軸ＡＸ方向、Ｘ方向はクランク軸７の延伸方向であるエンジン本体１の前後方向、Ｙ方向はＺ方向及びＸ方向の双方と直交する方向に各々相当する。各図には、エンジン本体１の設置方向におけるフロント側、リア側という意味においてＦ側（＋Ｘ）、Ｒ側（－Ｘ）、吸気ポート９が配設される側という意味において吸気側（ＩＮ側；＋Ｙ）、排気ポート１０が配設される側という意味において排気側（ＥＸ側；－Ｙ）、シリンダ軸ＡＸ上の上側、下側との意味において上（＋Ｚ）、下（－Ｚ）との表記が付されている。

【0032】

ピストン５は、ピストンヘッド５Ａと、ピストンヘッド５Ａの下側（－Ｚ側）に連設されたスカート部５Ｂとを含む。ピストンヘッド５Ａは円柱体からなり、燃焼室６の壁面の一部（底面）を構成する冠面５０を上面に備えると共に、シリンダ２の内壁面と摺接する側周面５Ｃとを備える。側周面５Ｃには、ピストンリングが嵌め込まれるリング溝が複数備えられている。スカート部５Ｂは、ピストンヘッド５Ａの＋Ｙ側及び－Ｙ側に配置され、ピストン５の往復運動の際の首振り揺動を抑制する。スカート部５ＢのＹ方向の中央には、Ｘ方向に延びるピン孔を区画するピストンボス５Ｄが設けられている。ピストンボス５Ｄには、コネクティングロッド８との連結のためのピストンピンが挿通される。

【0033】

冠面５０は、燃焼室天井面６ＵとＺ方向に対向する略円形の面である。冠面５０は、排気側底部５１、吸気側底部５２、排気側傾斜面５３、吸気側傾斜面５４、平面５５、リセス間平面５６、Ｆ側側壁５７及びＲ側側壁５８を含む。これらの各部のうち、排気側底部５１及び吸気側底部５２は、冠面５０において＋Ｚ方向の高さが最も低いベース面であり、その他の各部は前記ベース面から＋Ｚ方向に山高さｈだけ隆起した凸状の隆起部を形成している。

【0034】

排気側底部５１及び吸気側底部５２は、シリンダ軸ＡＸと直交するＸＹ方向に延びる平面であり、Ｚ方向に同じ高さ位置にある。なお、排気側底部５１及び吸気側底部５２は、前記ＸＹ方向に対して若干の傾きを持つ面、若しくは、僅かな凸又は凹曲面を持つ面であっても良い。排気側底部５１は、冠面５０のＥＸ側（－Ｙ）の端縁付近に配置されている。吸気側底部５２は、冠面５０のＩＮ側（＋Ｙ）の端縁付近に配置されている。

【0035】

排気側底部５１は、冠面５０の－Ｙ側外周縁（側周面５Ｃ）を弧とし、Ｘ方向に延びる直線を弦とする弓形の平面である。吸気側底部５２は、冠面５０の＋Ｙ側外周縁を弧とし、Ｘ方向に延びる直線を弦とする弓形の平面である。排気側底部５１及び吸気側底部５２は、ピストン５が圧縮上死点に向かう際、スキッシュ流が形成されるスキッシュエリアである。本実施形態では、排気側底部５１の表面積よりも吸気側底部５２の表面積の方が広面積に設定されている。

【0036】

排気側傾斜面５３は、排気側底部５１（冠面の排気側）から冠面５０のＹ方向中央部（冠面５０の径方向中央部）に向けて徐々に上昇する傾斜面である。排気側傾斜面５３の下端は排気側底部５１の＋Ｙ端縁に連なり、上端は平面５５及びリセス間平面５６の－Ｙ端縁に連なっている。排気側傾斜面５３は、＋Ｘ側と－Ｘ側とで一対のリセス部５３１と、これらリセス部５３１に位置するリセス間部５３２とを含む。リセス部５３１は、第１、第２排気ポート１０Ａ、１０Ｂに配置される排気弁１２との干渉を避けるための略半円型の窪みである。リセス間部５３２は、＋Ｚ方向の平面視（図５）で、排気側底部５１へ連なる下端縁を下底、一対のリセス部５３１に位置するリセス間平面５６へ連なる上端縁を上底とする略台形の形状を有している。リセス部５３１及びリセス間部５３２の、Ｙ方向に対する傾斜角は同一に設定されている。なお、前記傾斜角は、若干相違していても良い。

【0037】

吸気側傾斜面５４は、吸気側底部５２（冠面の吸気側）から冠面５０のＹ方向中央部に向けて徐々に上昇する傾斜面である。吸気側傾斜面５４の下端は吸気側底部５２の－Ｙ端縁に連なり、上端は平面５５の＋Ｙ端縁に連なっている。本実施形態では、＋Ｚ方向の平面視で、吸気側傾斜面５４の下端及び上端は共にＸ方向に直線状に延びる端縁である。吸気側傾斜面５４は単純な傾斜平面が例示されているが、吸気弁１１との干渉が生じる場合には、排気側のリセス部５３１と同様なリセス部が設けられる。

【0038】

平面５５は、冠面５０のＹ方向中央部においてシリンダ軸ＡＸと直交するＸＹ方向に延びる平面である。平面５５は、排気側傾斜面５３の上端と吸気側傾斜面５４の上端との間に連続的に設けられた平面である。なお、「連続的な平面」とは、キャビティ等の窪みが存在しない平面の意である。また、平面５５は、タンブル流Ｆｔやスワール流Ｆｓの流動を実質的に阻害しない範囲において、ＸＹ方向に対して僅かな傾きを持つ面、若しくは、僅かな凸又は凹曲面を持つ面であっても良い。

【0039】

より詳しくは、平面５５は、＋Ｚ方向の平面視でＸ方向に長い略矩形の形状を有している。平面５５は、－Ｙ側の側辺として第１ＥＸ端縁５５１及び第２ＥＸ端縁５５２を、＋Ｙ側の側辺としてＩＮ端縁５５３を有している。第１ＥＸ端縁５５１は、＋Ｘ側のリセス部５３１の上端に繋がっている。第２ＥＸ端縁５５２は、－Ｘ側のリセス部５３１の上端に繋がっている。ＩＮ端縁５５３は、吸気側傾斜面５４の上端に繋がっている。平面５５の＋Ｘ側及び－Ｘ側の側辺は、側周面５Ｃの円周に沿った円弧状の形状を有している。

【0040】

リセス間平面５６は、排気側傾斜面５３の一対のリセス部５３１間に配置された平面である。リセス間平面５６も、ＸＹ方向に延びる平面であり、平面５５と同一平面内に存在する平面、つまり平面５５と同じＺ方向高さに位置する平面である。リセス間平面５６は、平面５５に連続した平面である。なお、平面５５及びリセス間平面５６は、冠面５０における前記隆起部の頂面を形成しており、＋Ｚ方向の高さが最も高い面である。

【0041】

リセス間平面５６は、平面５５の－Ｙ側の側辺のＸ方向中央部から－Ｙ側に延び出すように、換言すると、第１ＥＸ端縁５５１と第２ＥＸ端縁５５２との間から－Ｙ側に延び出すように形成されている。リセス間平面５６のＥＸ端縁５６１は、吸気側傾斜面５４のリセス間部５３２の上端に繋がっている。リセス間平面５６は、一対のリセス部５３１間の上端付近に挟まれるように位置しており、＋Ｚ方向の平面視で概ね正方形の形状を有している。なお、リセス間平面５６を省き、平面５５だけを冠面５０に配置する態様としても良い。

【0042】

［排気量の異なるエンジンの燃焼室構造］
自動車メーカでは、あるブランドの自動車について、エンジン排気量の異なる複数種の車両でラインナップを組むことが多い。小型乗用車では、例えば排気量が１．５Ｌ、２．０Ｌ、２．５Ｌというような車両が提供される。すなわち、自動車メーカは、排気量の異なる複数種のエンジンを製造する必要がある。エンジンの排気量が異なると、ボア径Ｌｂ又はストロークＬｓも異なることとなる。すると、燃焼室６内における筒内流動も変化する。とりわけ、シリンダ軸ＡＸ回りの旋回流を形成するスワール流Ｆｓは、ボア径Ｌｂ又はストロークＬｓの変化に影響を受ける。なお、ボア径Ｌｂは、シリンダ２の内径であって、ピストン５の直径に略相当する長さである。ストロークＬｓは、ＴＤＣ（上死点）～ＢＤＣ（下死点）間にピストン５がＺ方向（シリンダ軸ＡＸの延伸方向）に移動する長さである。

【0043】

図８（Ａ）及び（Ｂ）は、排気量の異なるエンジンにおけるスワール流Ｆｓの流動を説明するための模式図である。図８（Ａ）は、比較的排気量の小さい小シリンダ２Ａを、図８（Ｂ）は、比較的排気量の大きい大シリンダ２Ｂを、各々示している。既述の通り、吸気ポート９はタンブルポートであるので、スワール流Ｆｓはタンブル成分を含んだ斜めスワール流である。本実施形態では、冠面５０に排気側傾斜面５３、吸気側傾斜面５４及び平面５５からなる隆起部が備えられている。当該隆起部の山高さｈも、スワール流の維持性に影響を与える。

【0044】

図８（Ａ）に示す小シリンダ２Ａは、その排気量を実現するための所定の第１ボア径Ｌｂ１及び第１ストロークＬｓ１を有する。冠面５０の前記隆起部は、所定の第１山高さｈ１を備えている。図８（Ｂ）に示す大シリンダ２Ｂも、所定の第２ボア径Ｌｂ２、第２ストロークＬｓ２及び第２山高さｈ２を備えている。一般に、排気量の大きい方が各数値も大きくなることから、Ｌｂ１＜Ｌｂ２、Ｌｓ１＜Ｌｓ２、ｈ１＜ｈ２の関係となる。各々のシリンダ２Ａ、２Ｂでは、第１吸気ポート９Ａから流入する吸気が第１、第２スワール流Ｆｓ１、Ｆｓ２を形成する。

【0045】

ボア径Ｌｂが大きい程、一旋回当たりでスワール流Ｆｓがシリンダ２の内壁面に衝突する距離が長くなる。また、ストロークＬｓが長い程、スワール流Ｆｓがシリンダ２の内壁面に衝突する距離が長くなる。Ｌｂ１＜Ｌｂ２、Ｌｓ１＜Ｌｓ２であるので、大シリンダ２Ｂの第２スワール流Ｆｓ２方が、小シリンダ２Ａの第１スワール流Ｆｓ１よりも減衰し易い傾向が出る。一方、山高さｈが高い程、排気側傾斜面５３又は吸気側傾斜面５４にスワール流Ｆｓが衝突し易くなる。このため、第１山高さｈ１及び第２山高さｈ２をどのような値に設定するかにより、第１、第２スワール流Ｆｓ１、Ｆｓ２が各冠面５０の隆起部に衝突して減衰する度合いに差が出る。排気量設定の都合で、ボア径Ｌｂ１、Ｌｂ２及びストロークＬｓ１、Ｌｓ２が固定化されている場合は、第１、第２山高さｈ１、ｈ２の選定が肝要となる。

【0046】

このように、排気量が異なると、スワール流Ｆｓの減衰要因に差異が生じる。従って、エンジン回転数や負荷が同じでも、第１、第２スワール流Ｆｓ１、Ｆｓ２の挙動（スワール比）は同一とならない場合が多くなる。スワール比が異なると、第１、第２スワール流Ｆｓ１、Ｆｓ２に各々助力される火炎伝播燃焼の進展度合いも変化し、シリンダ２Ａ、２Ｂの各燃焼室６内の混合気の燃焼に差異が生じる。つまり、同じエンジン回転数及び同じ負荷で同等の燃焼、換言すると狙い通りの最適な燃焼を、排気量の異なるエンジンで実現できなくなる。本発明では、このような不具合を解消することができるエンジンの燃焼室構造を提供する。

【0047】

図９は、排気量の異なるエンジンの燃焼室構造を示すものであって、スワール比に関するデータを纏めた表形式の図である。サンプル１～３は、排気量＝１．５Ｌ、サンプル４～６は、排気量＝２．０Ｌ、サンプル７～９は、排気量＝２．５Ｌのエンジンである。前記データとして挙げられているのは、圧縮比ε、ボア径Ｌｂ、ストロークＬｓ、山高さｈ、スワール比、第１評価値Ｒ１、第２評価値Ｒ２、第３評価地Ｒ３及び第４評価値Ｒ４である。

【0048】

第１評価値Ｒ１及び第２評価値Ｒ２は、主にストロークＬｓに関する評価値である。具体的には、第１評価値Ｒ１は、山高さｈとストロークＬｓとの関係を示す評価値であって、ｈ／Ｌｓで求められる値である。第２評価値Ｒ２は、スワール比とストロークＬｓとの関係を示す評価値であって、スワール比／Ｌｓで求められる値である。一方、第３評価値Ｒ３及び第４評価値Ｒ４は、主にボア径Ｌｂに関する評価値である。具体的には、第３評価値Ｒ３は、山高さｈとボア径Ｌｂとの関係を示す評価値であって、ｈ／Ｌｂで求められる値である。第４評価値Ｒ２は、スワール比とボア径Ｌｂとの関係を示す評価値であって、スワール比／Ｌｂで求められる値である。図９には、本発明の実施例及び比較例のエンジンのスワール比に関するデータが混在して掲載されている。

【0049】

実際のエンジン設計では、ボア径Ｌｂ又はストロークＬｓが固定化され、変更することが難しい。図９の例でも、サンプル１～３では、ボア径Ｌｂ＝７４．５ｍｍ、ストロークＬｓ＝８５．８ｍｍ、サンプル４～６では、ボア径Ｌｂ＝８３．５ｍｍ、ストロークＬｓ＝９１．２ｍｍ、サンプル７～９では、ボア径Ｌｂ＝８９ｍｍ、ストロークＬｓ＝１００ｍｍに各々設定されている。また、圧縮比εも、目標値として設定される場合が多い。このため、図９に列挙されたパラメータのうち、エンジン製造において変更できるのは実質的に山高さｈだけである。

【0050】

望ましいエンジンの燃焼室構造は、幾何学的圧縮比が１３．５以上１５．５以下の高圧縮比を達成しつつ、スワール比が高く、且つ、異なる排気量のエンジン間でスワール比が同等であるエンジンを製造することである。図９において、排気量＝１．５Ｌではサンプル１、排気量＝２．０Ｌではサンプル４、排気量＝２．５Ｌではサンプル７に各々注目する。これらサンプル１、４、７の圧縮比εは、１４～１５の高圧縮比である。また、サンプル１、４、７のスワール比は、各排気量グレードにおいてトップデータではないが、２．３～２．７程度の高いレベルを有している。シリンダ２の形状、具体的にはストロークＬｓと山高さｈとによって定まる第１評価値Ｒ１は、サンプル１、４、７では０．０５０～０．０６１程度の範囲である。また、ボア径Ｌｂと山高さｈとによって定まる第３評価値Ｒ３は、サンプル１、４、７では０．０５６～０．０７０程度の範囲である。

【0051】

このような、燃焼室６の形状的特徴を示すとも言える第１評価値Ｒ１と、スワール比との関係を示す指標である第２評価値Ｒ２は、サンプル１、４、７では総じて０．０２７であり同等である。同様に、形状的特徴を示すとも言える第３評価値Ｒ３と、スワール比との関係を示す指標である第４評価値Ｒ４は、サンプル１、４、７では０．０２９～０．０３２程度の小さい範囲に収まっている。このことは、排気量（ボア径Ｌｂ又はストロークＬｓ）が変わっても、ほぼ同等のスワール流Ｆｓが生成可能であることを示している。つまり、サンプル１、４、７の第１評価値Ｒ１、及び第３評価値Ｒ３が得られるように燃焼室６（山高さｈ）を形成することで、排気量の異なるエンジン間でスワール流にバラツキが生じる程度を低く抑えることができる。従って、同じエンジン回転数及び同じ負荷で同等の燃焼を、各排気量のエンジンで実現することができる。また、高圧縮比も達成されているので、燃費性能の向上にも寄与する。

【0052】

サンプル２、５、９は、サンプル１、４、７に比べて山高さｈが低いグループである。後者はｈ＝５ｍｍ前後であるのに対し、前者はｈ＝０．１～０．２ｍｍ程度である。このグループでは、スワール比は高いレベルではあるものの、スワール比に大きなバラツキがある。また、サンプル２、５、９の第１評価値Ｒ１は総じて同等であるものの、第２評価値Ｒ２には、比較的大きいバラツキが認められる。また、サンプル２、５、９の第３評価値Ｒ３も総じて同等であるが、第４評価値Ｒ４には比較的大きなバラツキが認められる。さらに、サンプル２、５、９の圧縮比εは１０であり、企図する高圧縮比は達成されていない。従って、サンプル２、５、９の燃焼室構造では、排気量の異なるエンジン間で同等の燃焼が得られにくく、また燃費性能の向上も図り難い。

【0053】

一方、サンプル３、６、８は、サンプル１、４、７に比べて山高さｈが高いグループである。前者はｈ＝８～１１ｍｍ程度である。このグループでは、圧縮比εは総じて高いが、スワール比については、バラツキは小さいものの総じて低い。サンプル３、６、８の第３評価値Ｒ３は比較的バラツキが大きいと認められる。第４評価値Ｒ４についても同様の傾向が見られる。しかしながら、スワール比の値自体が小さいことから、筒内流動による火炎伝播燃焼の助力が低く、燃焼レベルが低下する。従って、高圧縮比を達成できても、燃費性能の向上は期待できない。

【0054】

図１０は、山高さｈとストロークＬｓとの関係に着目した評価値である、既述の第１評価値Ｒ１と第２評価値Ｒ２との関係を示すグラフである。図中にプロットに付されている数字は、図９のサンプル番号に相当する。

【0055】

図１０に付記しているように、第１評価値Ｒ１が小さい領域は、山高さｈが相対的に低い又はストロークＬｓが相対的にため、圧縮比εが低い領域である。この領域では、圧縮比ε＝１３．５以上１５．５以下の高圧縮比を達成できない。サンプル２、５、９はこの領域に属しており、たとえ第２評価値Ｒ２のバラツキが小さい場合でも、燃費性能が低下するので採用できない。一方、第１評価値Ｒ１が大きい領域は、山高さｈが相対的に高い又はストロークＬｓが相対的に小さいため、圧縮比εが高くなる領域である。この領域では、上掲の高圧縮比を達成可能である。サンプル１、４、７及びサンプル３、６、８は、当該領域に属する。

【0056】

第２評価値Ｒ２が大きい領域は、スワール流Ｆｓが強い領域である。スワール流Ｆｓが強いということは、スワール流が減衰し難い環境の燃焼室６が提供されているということである。冠面５０の隆起部が高い山高さｈを有する場合、当該隆起部にスワール流Ｆｓが衝突し、その減衰が著しくなる。つまり、山高さｈが高すぎる領域では、第１評価値Ｒ１が大きくなって高圧縮比は達成できるものの、その高い山高さｈが影響して第２評価値Ｒ２が小さくなる傾向が出る。また、排気量の異なるエンジン間で第２評価値Ｒ２のバラツキが大きくなる傾向も出る。サンプル３、６、８は当該領域に属しており、燃焼性の低下並びにバラツキが見込まれるため採用できない。

【0057】

図１１は、山高さｈとボア径Ｌｂとの関係に着目した評価値である、既述の第３評価値Ｒ３と第４評価値Ｒ４との関係を示すグラフである。図１０と同様に、プロットに付されている数字は、図９のサンプル番号に相当する。

【0058】

図１１に付記しているように、第３評価値Ｒ３が小さい領域は、山高さｈが相対的に低い又はボア径Ｌｂが相対的に大きいため、圧縮比εが低い領域である。この領域では、圧縮比ε＝１３．５以上１５．５以下の高圧縮比を達成できない。サンプル２、５、９はこの領域に属しており、たとえ第４評価値Ｒ４のバラツキが小さい場合でも、燃費性能が低下するので採用できない。一方、第３評価値Ｒ３が大きい領域は、山高さｈが相対的に高い又はボア径Ｌｂが相対的に小さいため、圧縮比εが高くなる領域である。この領域では、上掲の高圧縮比を達成可能である。サンプル１、４、７及びサンプル３、６、８は、当該領域に属する。

【0059】

第４評価値Ｒ４が大きい領域は、スワール流Ｆｓが強い領域である。スワール流Ｆｓが強いということは、スワール流が減衰し難い環境の燃焼室６が提供されているということである。既述の通り、冠面５０の隆起部が高い山高さｈを有する場合、当該隆起部にスワール流Ｆｓが衝突し、その減衰が著しくなる。つまり、山高さｈが高すぎる領域では、第３評価値Ｒ３が大きくなって高圧縮比は達成できるものの、その高い山高さｈが影響して第４評価値Ｒ４が小さくなる傾向が出る。また、排気量の異なるエンジン間で第４評価値Ｒ４のバラツキが大きくなる傾向も出る。サンプル３、６、８は当該領域に属しており、燃焼性の低下並びにバラツキが見込まれるため採用できない。

【0060】

以上より、第１評価値Ｒ１が小さ過ぎず、且つ、大き過ぎない最適領域に設定することにより、また、第３評価値Ｒ３が小さ過ぎず、且つ、大き過ぎない最適領域に設定することにより、高圧縮比を達成しつつ、スワール比が高く、且つ、異なる排気量間でスワール比が同等であるエンジンの燃焼室構造を提供することが可能となる。図９に示すデータより、ストロークＬｓ及びボア径Ｌｂの何れの面からも、サンプル１、４、７が前記最適領域に属していることが判る。サンプル１、４、７の第１評価値Ｒ１の値（０．０５０～０．０６１程度）に鑑みると、第１評価値Ｒ１の前記最適領域は、
０．０４５＜Ｒ１＜０．０６５（０．０４５＜ｈ／Ｌｓ＜０．０６５）・・・（Ａ）
に設定することができる。

【0061】

また、サンプル１、４、７の第３評価値Ｒ３の値（０．０５６～０．０７０程度）に鑑みると、第３評価値Ｒ３の前記最適領域は、
０．０５５＜Ｒ３＜０．０７５（０．０５５＜ｈ／Ｌｂ＜０．０７５）・・・（Ｂ）
に設定することができる。

【0062】

つまり、Ｒ１（ｈ／Ｌｓ）を上記（Ａ）式の範囲に設定することで、山高さｈが高いことに起因するスワール流Ｆｓの減衰と、ストロークＬｓが大きいことに起因するスワール流Ｆｓの減衰とを同等にすることができる。また、Ｒ３（ｈ／Ｌｂ）を上記（Ｂ）式の範囲に設定することで、山高さｈが高いことに起因するスワール流Ｆｓの減衰と、ボア径Ｌｂが大きいことに起因するスワール流Ｆｓの減衰とを同等にすることができる。従って、エンジン排気量が異なる場合でも、燃焼室６内に同等のスワール流Ｆｓを形成させ、同等の燃焼を燃焼室６で実現させることが可能となる。

【0063】

［ピストン冠面の好ましい形状］
続いて、ピストン５の冠面５０の好ましい形状について説明する。ここでは、タンブル流Ｆｔを圧縮行程後半まで維持させることを企図した冠面５０の形状的工夫について述べる。図１２は、冠面５０に関連する各種パラメータを示す図である。図中には、山高さｈ、平面５５の横幅Ｌｉｅ及び前後幅Ｌｆｒ、排気側傾斜面角度Ｅｘｄ、平面５５の表面積Ｓ１、排気側傾斜面５３の表面積Ｓ２及び吸気側傾斜面５４の表面積Ｓ３が示されている。

【0064】

山高さｈは、既述の通り冠面５０における前記ベース面である排気側底部５１又は吸気側底部５２から、前記頂面である平面５５及びリセス間平面５６までのＺ方向高さである。横幅Ｌｉｅは、平面５５のＹ方向幅である。前後幅Ｌｆｒは、平面５５のＸ方向幅である。なお、平面５５の＋Ｘ側及び－Ｘ側の側辺は円弧辺である。前後幅Ｌｆｒは、これら円弧辺が最も＋Ｘ側又は－Ｘ側に延び出している部分間のＸ方向幅である。排気側傾斜面角度Ｅｘｄは、Ｙ方向に対する排気側傾斜面５３の傾斜角である。本実施形態では、平面５５はＹ方向に沿う水平面であるので、傾斜面角度Ｅｘｄは平面５５と排気側傾斜面５３とがなす角である。

【0065】

平面５５の表面積Ｓ１は、平面５５を区画する＋Ｘ側及び－Ｘ側の側辺と、＋Ｙ側及び－Ｙ側の側辺とで囲まれる部分の面積であり、概ね横幅Ｌｉｅと前後幅Ｌｆｒとの乗算で算出される面積である。本実施形態のように、平面５５にリセス間平面５６が連設されている場合は、表面積Ｓ１は平面５５とリセス間平面５６とを合算した表面積と扱う。

【0066】

排気側傾斜面５３の表面積Ｓ２は、一対のリセス部５３１の表面積と、リセス間部５３２の表面積とを合算した面積である。なお、リセス部５３１とリセス間部５３２との間に存在する段差部５３Ａは、表面積Ｓ２に含まれない。段差部５３Ａはタンブル流Ｆｔの流動に実質的に影響を与えないからである。吸気側傾斜面５４の表面積Ｓ３は、図１１の例では、単純に吸気側傾斜面５４を構成する傾斜平面の面積である。吸気弁１１との干渉を回避するリセス部が吸気側傾斜面５４にも形成されている場合は、そのリセス部の表面積と、そのリセス間部の表面積とを合算した面積となる。

【0067】

本実施形態では、タンブル流Ｆｔに対するピストン５の冠面５０の抵抗を小さくし、タンブル流Ｆｔを圧縮行程後半まで維持させるために、上記の表面積Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３が次の特徴（１）～（３）を具備するように設定してエンジンを製造することが望ましい。
（１）平面５５の表面積Ｓ１は、排気側傾斜面５３の表面積Ｓ２よりも大きい。
（２）好ましくは、平面５５の表面積Ｓ１は、吸気側傾斜面５４の表面積Ｓ３よりも大きい。
（３）より好ましくは、平面５５の表面積Ｓ１は、排気側傾斜面５３の表面積Ｓ２と吸気側傾斜面５４の表面積Ｓ３との総和よりも大きい。

【0068】

冠面５０には、「連続的な平面」である平面５５が形成されているので、タンブル流Ｆｔ（図２参照）をキャビティ等の窪みで阻害することなく、当該平面５５に沿って流すことができる。また、表面積Ｓ１～Ｓ３相互の関係が、上記特徴（１）～（３）の通りに設定することで、タンブル流Ｆｔの流動は排気側傾斜面５３及び吸気側傾斜面５４の存在によって弱体化することはない。すなわち、上記の冠面５０の構造的工夫により、タンブル流Ｆｔに対する冠面５０の抵抗が小さくなり、タンブル流Ｆｔは燃焼室６内でその流動を継続し易くなる。

【0069】

つまり、タンブル流Ｆｔが排気側傾斜面５３やシリンダ２の内壁などに衝突して消失する割合を減らして、当該タンブル流Ｆｔを圧縮行程後半まで維持させ易くすることができる。タンブル流Ｆｔが崩壊する際には、乱流エネルギーが生成される。タンブル流Ｆｔを維持することは、タンブル流Ｆｔが本来的に保有する前記乱流エネルギーを、前記衝突によるロスなく高い状態で維持することに繋がる。従って、タンブル流Ｆｔを圧縮行程後半で崩壊させ、高い乱流エネルギーを生成させることで、燃焼室６の混合気の燃焼速度を速めることが可能となる。

【0070】

燃焼室６では、点火プラグ１６の点火動作を起点として、混合気の火炎伝播燃焼が生じる。ここで、シリンダ２を高圧縮比に設定したような場合、ピストン５の圧縮端において燃焼室６内の圧力及び温度が過度に上昇し、異常燃焼を誘発する。前記異常燃焼は、火炎伝播燃焼の完了前における未燃の燃料ガスの急峻な自己着火であり、ノッキングを発生させる。しかし、タンブル流Ｆｔを圧縮行程後半まで維持させ、燃焼速度を速めることで、ノッキングの要因となる自己着火の発生前に燃焼を完了させることができる。そして、ノッキングを抑制できることから、エンジン出力をあえて抑制するような制御、例えばインジェクタ１５の燃料噴射タイミングを制御して燃焼重心を遅角する等の制御を回避することができる。また、その結果としてシリンダ２の高圧縮比化が達成でき、燃費性能を向上させることが可能となる。

【0071】

少なくとも上記特徴（１）を満たすことで、タンブル流Ｆｔの維持性を高めることができる。これに加え、特徴（２）を満たすことで、よりタンブル流Ｆｔの維持性を向上し得る。さらに、特徴（１）及び（２）を満たした上で、特徴（３）の通り、平面５５の表面積Ｓ１を、排気側傾斜面５３の表面積Ｓ２と吸気側傾斜面５４の表面積Ｓ３との総和よりも大きく設定することが望ましい。これにより、タンブル流Ｆｔの排気側傾斜面５３への衝突、タンブル流Ｆｔが吸気側傾斜面５４にガイドされることによるシリンダ２のＩＮ側内壁への衝突を一層抑制でき、タンブル流Ｆｔの維持性を一層向上させることができる。また、スワール流Ｆｓについては、広い表面積を有する平面５５に沿ってスワール流Ｆｓがガイドされることにより、スワール流Ｆｓの安定的な流動に寄与する。ひいては、排気量が異なるエンジン間での筒内流動のバラツキ抑制に寄与する。

【0072】

続いて、上記の表面積Ｓ１～Ｓ３以外の、冠面５０の形状的特徴について説明する。先ず、平面５５のＹ方向幅である横幅Ｌｉｅと、山高さｈとの比であるＬｉｅ／ｈについては、圧縮比＝１３．５～１５．５の範囲において、
２．５＜Ｌｉｅ／ｈ＜９．０・・・（Ｃ）
の関係を満たすことが望ましい。

【0073】

ペントルーフ型の燃焼室天井面６Ｕを備える燃焼室６では、冠面５０の排気側傾斜面５３及び吸気側傾斜面５４の傾き角は、概ね燃焼室天井面６Ｕの傾き角に沿ったものとなる。このため、山高さｈが平面５５の横幅Ｌｉｅに大きく影響する。山高さｈを高くすることは、圧縮比を高くすることに繋がる。例えば燃費性能の向上を企図して山高さｈを高く設定すると、横幅Ｌｉｅは幅狭となる。つまり、平面５５の表面積Ｓ１は小さくなる。この場合、たとえ燃費性能は向上しても、タンブル流Ｆｔを圧縮行程後半まで維持し難くなる。結局、ノッキングの防止のため、エンジン出力の抑制制御を求められることになる。しかし、Ｌｉｅ／ｈを上記（Ｃ）式の範囲に設定することで、燃費性能の向上とエンジン出力の向上とを両立させることができる。この両立をより望ましくする観点から、Ｌｉｅ／ｈは、圧縮比＝１３．５～１５．５の範囲において、
５．０＜Ｌｉｅ／ｈ＜９．０・・・（Ｃ１）
の関係を満たすことが望ましい。

【0074】

次に、平面５５のＸ方向幅である前後幅Ｌｆｒと、山高さｈとの比であるＬｆｒ／ｈについては、圧縮比＝１３．５～１５．５の範囲において、
１２．０＜Ｌｆｒ／ｈ＜１６．０・・・（Ｄ）
の関係を満たすことが望ましい。

【0075】

横幅Ｌｉｅと同様に、山高さｈを高く設定する程、前後幅Ｌｆｒは幅狭となるなり、平面５５の表面積Ｓ１も小さくなる。従って、タンブル流Ｆｔを圧縮行程後半まで維持し難くなり、エンジン出力の抑制が必要となる。しかし、Ｌｆｒ／ｈを上記（Ｄ）式の範囲に設定することで、燃費性能の向上とエンジン出力の向上とを両立させることができる。この両立をより望ましくする観点から、Ｌｆｒ／ｈは、圧縮比＝１３．５～１５．５の範囲において、
１３．５＜Ｌｆｒ／ｈ＜１４．５・・・（Ｄ１）
の関係を満たすことが望ましい。

【0076】

ここで、平面５５の前後幅Ｌｆｒは、横幅Ｌｉｅよりも大きいことが望ましい。図２に模式的に示したように、タンブル流Ｆｔは、吸気ポート９から燃焼室６に導入され、シリンダ２のＥＸ側内壁面で折り返し、平面５５上を通ってＩＮ側へ向かう。仮に、前後幅Ｌｆｒが横幅Ｌｉｅよりも小さい平面５５であると、冠面５０の＋Ｘ側及び－Ｘ側の端部には平面が存在しないことになる。この場合、＋Ｘ側及び－Ｘ側の端部においてタンブル流Ｆｔがガイドされ難くなり、流動ロスが生じてしまう。一方、前後幅Ｌｆｒが横幅Ｌｉｅよりも大きい平面５５とすることで、＋Ｘ側及び－Ｘ側の端部においてもタンブル流Ｆｔをガイドできるようになり、タンブル流Ｆｔの維持性を高めることができる。

【0077】

平面５５と排気側傾斜面５３とがなす角である排気側傾斜面角度Ｅｘｄ、平面５５の表面積Ｓ１、及び山高さｈの関係を示す（Ｅｘｄ×Ｓ１）／ｈについては、圧縮比＝１３．５～１５．５の範囲において、
５０００＜（Ｅｘｄ×Ｓ１）／ｈ＜１８０００・・・（Ｅ）
の関係を満たすことが望ましい。

【0078】

タンブル流Ｆｔは、上述のような流動を行うことから、排気側傾斜面角度Ｅｘｄが小さい程、排気側傾斜面５３と平面５５との境界部分でタンブル流Ｆｔの流動が変更されたり、排気側傾斜面５３に衝突したりする程度を抑制することができる。しかし、山高さｈをある程度の高さに設定しないと、圧縮比を高くすることができない。山高さｈを高くし、且つ、平面５５の表面積Ｓ１を稼ぐには、排気側傾斜面角度Ｅｘｄを大きくする必要がある。これらの相反する要請を考慮し、高圧縮比化とタンブル流Ｆｔの維持とを両立させるには、（Ｅｘｄ×Ｓ１）／ｈを上記（Ｅ）式の範囲に設定すれば良い。この両立をより望ましくする観点から、（Ｅｘｄ×Ｓ１）／ｈは、圧縮比＝１３．５～１５．５の範囲において、
７０００＜（Ｅｘｄ×Ｓ１）／ｈ＜１２０００・・・（Ｅ１）
の関係を満たすことが望ましい。

【0079】

［作用効果］
以上説明した本実施形態に係るエンジンの燃焼室構造によれば、次のような作用効果を奏する。先ず、燃焼室６は、凸状の隆起部を有する冠面５０（ピストン５）、シリンダ２の内壁面及びペントルーフ型の燃焼室天井面６Ｕで区画される。この燃焼室構造は、前記隆起部の山高さｈと、ピストン５が上死点から下死点まで移動する長さであるストロークＬｓとが、０．０４５＜ｈ／Ｌｓ＜０．０６５の関係を満たす。このような燃焼室構造によれば、既述の通り、排気量が異なるエンジン間で、スワール弁１７（スワール生成機構）により形成されるスワール流Ｆｓのスワール比を比較的高く、且つ、同等に揃えることが可能となる。従って、同じエンジン回転数及び同じ負荷で同等の燃焼を、各排気量のエンジンで実現できる。これにより、ある一つの排気量のエンジンについて燃焼形態を決めれば、他の排気量のエンジンにおいても同等の燃焼を実現できるので、エンジン開発の効率を高めることが可能となる。

【0080】

また、冠面５０には連続的な平面５５が形成されているので、スワール流Ｆｓを当該平面５５に沿ってガイドすることができる。特に、平面５５の表面積Ｓ１を、排気側傾斜面５３の表面積Ｓ２と吸気側傾斜面５４の表面積Ｓ３との総和よりも大きく設定すれば、平面５５に沿ってスワール流Ｆｓを安定的に流動させることができる。スワール流Ｆｓの流動の安定化は、各排気量のエンジンにおいて、同じエンジン回転数及び同じ負荷で形成されるスワール流Ｆｓのスワール比を同等に揃えるのに寄与する。

【0081】

また、火炎伝播燃焼を実現させる点火プラグ１６が、冠面５０の平面５５に対向する燃焼室天井面６Ｕに配置されている。本実施形態では、燃焼室６の中心（シリンダ軸ＡＸ上）に配置されている。スワール流Ｆｓが維持された状態で圧縮された吸気は、平面５５に対向する位置において乱流エネルギーが高い状態となる。このような位置に点火プラグ１６が配置されることで、火炎伝播燃焼の燃焼速度を速めることができる。

【0082】

また、インジェクタ１５は、燃焼室６の吸気側に配設されている。これにより、インジェクタ１５から噴霧された燃料をスワール流Ｆｓに乗せ易くなり、均質な混合気を燃焼室６内に形成させることができる。

【0083】

また、スワール流Ｆｓを形成するスワール生成機構として、第１、第２吸気ポート９Ａ、９Ｂのうち、第２吸気ポート９Ｂを開閉可能な、ステッピングモータ等のアクチュエータ１８により駆動されるスワール弁１７が設けられている。そのため、スワール弁１７の開度を変更することにより、燃焼室６の構造的工夫だけでは実現できないスワール比の微調整が可能となる。なお、実施形態では、既述の通りスワール生成機構は、スワール弁１７に設けられたスワール弁１７により具現化されている。しかし、スワール流Ｆｓを生成する手段はこれに限定されない。例えば、吸気ポートの形状を渦巻き状にしたヘリカルポートを適用することができる。また、吸気側動弁機構１３（可変バルブタイミング機構）を制御し、２つの吸気弁１１の閉弁時期に時間差を生じさせることにより、スワール流Ｆｓを形成してもよい。

【符号の説明】

【0084】

１ エンジン本体
１１ 吸気弁
１２ 排気弁
１５ インジェクタ（燃料噴射部）
１６ 点火プラグ（点火部）
１７ スワール弁（スワール生成機構）
２ シリンダ
５ ピストン
５０ 冠面
５１ 排気側底部
５２ 吸気側底部
５３ 排気側傾斜面
５４ 吸気側傾斜面
５５ 平面
６ 燃焼室
６Ｕ 燃焼室天井面（ペントルーフ型の天井面）
９ 吸気ポート
１０ 排気ポート
ＡＸ シリンダ軸
Ｆｓ スワール流
Ｆｔ タンブル流
ｈ 山高さ
Ｌｓ ストローク
Ｌｂ ボア径

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】