CN110382836A - 柴油发动机 - Google Patents

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金尚奎
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Abstract

柴油发动机包括气缸、气缸盖、燃料喷射阀、活塞。活塞具有：腔室；形成在腔室的周缘部的切口部。切口部包含：第一凹部，通过使腔室的内周壁面向径向外侧凹设而成；第二凹部，从活塞的顶面向腔室的底侧凹设，并且从第一凹部的顶面侧的端部向径向外侧连续地延伸。第二凹部的涡流下游侧的纵壁部以如下的方式形成：俯视下，该纵壁部从与第二凹部的径向外侧的端部对应的位置朝着径向内侧且涡流下游侧而呈圆弧状延伸。

Description

柴油发动机
技术领域
本发明涉及柴油发动机，尤其涉及如下的直接喷射式柴油发动机：在活塞的顶面上凹设有腔室，燃料直接地从燃料喷射阀被喷射到所述腔室。
背景技术
在活塞的顶面上形成有腔室的柴油发动机已为公知。该发动机中，从燃料喷射阀被喷射出的燃料在到达腔室的周缘部近傍后，沿着内周壁面而被引导到腔室的中央侧，从而促进其与空气的混合。尤其是在燃料喷射量较多的中负荷区域或高负荷区域中，从燃料喷射阀被喷射出的喷雾的穿透性(贯穿力)强，即使在充分地离开燃料喷射阀的位置处，也能够使喷雾的速度维持高速，使得其与空气的混合得到促进。
另一方面，在燃料喷射量较少的低负荷区域中，喷雾容易滞留在腔室的周缘部近傍，导致其与空气的混合性下降。为了提高其与空气的混合性，有效的做法是增强喷雾的穿透性，然而，若喷雾的穿透性过强，会使从腔室的周缘部近傍的壁面的散热量增大，从而导致冷却损失增大。
对此，专利文献1公开了如下的技术：为了抑制低负荷区域中的冷却损失，对腔室的形状及燃料喷射阀的喷孔的形状(长度、口径)以满足指定的关系的方式进行设定，以使喷雾的穿透性不至于过强。
然而，专利文献1的技术虽然能够抑制低负荷区域中的冷却损失增大，但是由于喷雾的流动性低，因而其无法促进在腔室中的与空气的混合。因此，容易在腔室的周缘部近傍产生局部燃烧，有时会因该局部燃烧所引起的高温和氧不足而导致NOx及煤烟增大。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利公开公报特开2015-232288号
发明内容
本发明鉴于上述的情况而作，其目的在于提供一种如下的柴油发动机：即使是穿透性较弱的喷雾，该喷雾在腔室中的流动性也能够被提高，能够促进其与空气的混合。
为了实现上述目的，本发明的柴油发动机包括：气缸；气缸盖，覆盖所述气缸的端面，并且形成有使涡流生成于燃烧室的进气道；活塞，具有向所述气缸盖这一侧的相反侧凹设而成的腔室；以及燃料喷射阀，具有喷孔，该喷孔指向位于上止点的所述活塞的所述腔室内；其中，所述活塞还具有形成在所述腔室的周缘部的切口部，所述切口部包含：第一凹部，在所述腔室的周缘部的周向的局部通过使该腔室的内周壁面向径向外侧凹设而成；以及第二凹部，从所述活塞的顶面向所述腔室的底侧凹设，并且从所述第一凹部的所述顶面这一侧的端部向径向外侧连续地延伸；其中，所述第二凹部具有底壁部和从该底壁部中所述涡流的下游侧的周缘竖立设置的纵壁部，所述纵壁部以如下的方式形成：俯视下，该纵壁部从与所述第二凹部的径向外侧的端部对应的位置朝着径向内侧且所述涡流的下游侧而呈圆弧状延伸。
附图说明
图1是简略地表示本发明的一实施方式所涉及的发动机的燃烧室的剖视图。
图2是构成燃烧室的腔室的剖视图。
图3是设有腔室的活塞的俯视图。
图4A是表示燃料喷射阀的结构的侧视图。
图4B是表示燃料喷射阀的结构的剖视图。
图5是从顶面侧观察活塞时的立体图。
图6是从图5的箭头A方向观察时的切口部的主视图。
图7是放大表示切口部的俯视图。
图8是放大表示切口部的立体图。
图9是表示腔室中的喷雾及空气流动的说明图。
图10是表示燃烧前半阶段的燃烧状态的说明图。
图11是表示燃烧后半阶段的燃烧状态的说明图。
图12是表示变形例所涉及的活塞的俯视图。
图13是表示图12的活塞中的喷雾及空气流动的说明图。
图14是表示变更了周向壁部的倾斜角度时的腔室的剖视图。
图15是表示图14的腔室中的喷雾及空气流动的说明图。
具体实施方式
以下，根据附图来说明本发明所涉及的实施方式。以下的说明只不过是本质性的例示，本发明并没有限制其应用对象或其用途的意图。此外，附图也只是示意性的图，其中的各距离的比率等与实物有所差异。
图1表示了本发明的一实施方式所涉及的柴油发动机的燃烧室结构，该发动机10的燃烧室11由形成在气缸体12中的气缸12a的内周面、在气缸12a内往复移动的活塞13的顶面13a(以下称作活塞顶面13a)、与活塞顶面13a相向的气缸盖14的下表面14c、分别对形成在气缸盖14中的进气道14a及排气道14b进行开闭的进气门15及排气门16的各下表面所划分。
活塞顶面13a中形成有向离开气缸盖14的下表面14c的方向(下方)凹陷而成的腔室30，该腔室的内侧空间也构成燃烧室11。腔室30的俯视下的基本形状被构成为大致圆形。气缸盖14中安装有燃料喷射阀17。燃料喷射阀17在俯视下位于气缸12a的中央，并且以远端部面临燃烧室11的方式设置。
图2是燃烧室11在通过气缸12a的中心轴X的剖面上的剖视图，图3是燃烧室11的俯视图。图2及图3中均表示了活塞13位于压缩上止点时的状态，而且以符号F来表示从燃料喷射阀17被喷射出的燃料的喷雾。腔室30的形状及大小被设定为至少在活塞13位于压缩上止点或压缩上止点近傍时能够接受从燃料喷射阀17被喷射出的燃料(喷雾F)的形状及大小。
如图2所示，腔室30采用所谓的凹腔型的结构。即，腔室30的壁面由唇部32、周边部33、中央隆起部34构成，唇部32位于腔室40上面的开口部31(以下称作腔室开口部31)的周缘而且直径小于腔室30的内部直径，周边部33从唇部32往腔室30的底侧延伸，中央隆起部34从周边部33往腔室的中心延伸。周边部33以直径大于唇部32的直径的方式而向径向外侧被凹设。中央隆起部34被形成为朝着位于其中心部上方的燃料喷射阀17凸起的山形状。
换言之，腔室30具有构成该腔室30的径向外侧壁部的内周壁面30a和构成该腔室30的底部的底面部30b。内周壁面30a由唇部32、周边部33的径向外侧的局部构成。底面部30b由中央隆起部34、周边部33的底侧的局部构成。
如图3所示，在腔室开口部31的周缘部中，在周向上隔开间隔地排列的多个切口部40呈放射状地形成。各切口部40通过使从腔室30的内周壁面30a至活塞顶面13a的区域向径向外侧凹设而被形成。多个切口部40通过使活塞顶面13a上的空气流导入到腔室30内侧而起到增大腔室30内的喷雾F的流动性的作用。详细的情况后述。
在燃料喷射阀17的远端部的周围形成有多个喷孔17a。如图3所示，燃料喷射阀17从多个喷孔17a将燃料呈放射状喷射。而且，燃料喷射阀17以如下的方式设置：在活塞13位于压缩上止点时，使从各喷孔17a被喷射出的燃料的喷雾F如图2所示那样射向腔室30的唇部32与周边部33的交界部近傍。
本实施方式中，喷孔17a在周向上等间隔地设置有10个，并且分别形成为相同的大小。图4A、4B是放大表示燃料喷射阀17的远端部的图，图4A是侧视图，图4B是沿图4A的B-B线的剖视图。
如图4B所示，喷孔17a以具有指定的喷孔径D及喷孔长L的方式而被形成。喷孔17a的喷孔径D及喷孔长L在与气缸直径C(参照图1)之间的关系上以满足指定的关系的方式而被构成，由此，能够实现在低负荷区域中的喷雾F的低穿透性从而由此而实现降低冷却损失，并且实现在中高负荷区域中降低煤烟(煤)。
返回到图2，腔室30的周边部33由最远离燃料喷射阀17的第一部分33a、相对于第一部分33a而位于唇部32侧的第二部分33b、相对于第一部分33a而位于中央隆起部34侧的第三部分33c构成。第一部分33a、第二部分33以及第三部分33c分别由在腔室30的中心侧具有中心O1、O2、O3的圆弧所构成。
此外，本实施方式中，第二部分33b的圆弧的半径R2和第三部分的圆弧的半径R3被设定为相等，并且第一部分33a的圆弧的半径R1被设定为小于半径R2及R3。由此，周边部33的剖面形状成为以连结最远离燃料喷射阀17的喷孔17a的第一部分33a的中心位置与喷孔17a的直线Y为中心的线对称的形状。即，周边部33以相对于直线Y而位于第二部分33b侧的部分和相对于直线Y而位于第三部分33c侧的部分夹着直线Y成对称的方式而被形成。
与周边部33的第二部分33b相连续的唇部32由在包含气缸12a的中心轴X的剖面上在腔室30的中心侧的相反侧具有中心O4的圆弧所构成。
如图3中以双点划线所示，两个进气道14a和两个排气道14b向燃烧室11的四个角落开口。两个进气道14a由螺旋气道及或切向气道构成，并且以至少一方的进气道14a(本实施方式中位于图3的右下侧的通道)的向燃烧室11开口的部分的轴线在图3中指向顺时针方向的方式而被构成。
由此，从图3中位于右下侧的进气道14a导入燃烧室11的新鲜空气便容易地朝着燃烧室11而向顺时针方向被导入，以生成沿顺时针方向流到燃烧室11的涡流S。涡流S不仅生成在活塞顶面13a的上方，而且也生成在腔室30的内部。
此外，随着活塞13往压缩上止点移动，在燃烧室11中生成从径向外侧流向内侧的挤压流V，以使位于活塞顶面13a和气缸盖14的下表面14c之间的挤压部的空气流入到腔室30。即，本实施方式中，在燃烧室11中生成涡流S和挤压流V。
以下，还一并参照图5至图8，对形成在活塞13的腔室开口部31的周缘部上的切口部40进行详述。图5是活塞13的立体剖视图，表示着腔室30。图6是从图5的箭头A方向观察时的切口部40的主视图。图7是放大表示切口部40的俯视图。图8是放大表示切口部40的立体图。如图5所示，多个切口部40在周向上等间隔地设置，分别形成为相同的大小。
切口部40具有：第一凹部60，设于腔室开口部31的周缘部；第二凹部70，与该第一凹部60中活塞顶面13a侧的端部相连续地设于活塞顶面13a。切口部40由构成各凹部60、70的底面的底壁部41和从底壁部41的周向两端竖立设置的一对纵壁部42划分而成。一对纵壁部42具有位于涡流S的上游侧(涡流上游侧)的上游侧纵壁部42a和位于涡流S的下游侧(涡流下游侧)的下游侧纵壁部42b。
还一并参照图3，切口部40被设置在避开从燃料喷射阀17被喷射出的喷雾F的位置上。换言之，在将腔室开口部31的周缘部中位于相邻的切口部40之间的基本形状部分定为非切口部50时，燃料喷射阀17以使其喷孔17a与非切口部50相向的方式设置。更详细而言，喷孔17a以使喷雾F朝着与活塞13位于上止点时的非切口部50中唇部32和周边部33的交界部或该交界部近傍对应的高度位置飞翔的方式而被形成。
此处，本实施方式中，切口部的数量NC在与燃料喷射阀17的喷孔17a的数量(以下称作喷孔数量NH)的关系上，以满足以下的式(1)的关系的方式而被设定。
NH/2≤NC≤NH (1)
即，切口部40被形成为喷孔数量NH的一半以上且喷孔数量NH以下的数量。换言之，切口部40相邻地位于到达腔室30的内周壁面30a的喷雾F的至少周向上的一侧。
此外，本实施方式中，切口部40设置有与燃料喷射阀17的喷孔数量NH相同的数量。即，切口部40沿着周向等间隔地形成在腔室开口部31的十处，切口部40相邻地位于被喷射到非切口部50的各喷雾F的周向两侧。
第一凹部60在腔室开口部31的周缘部处以相对于非切口部50而位于径向外侧的方式凹设，形成为在周向上具有指定宽度的槽形状。详细而言，第一凹部60具有：第一底壁部61，在周向上具有指定宽度且构成面临腔室30的中心的带状底面；一对第一纵壁部62，从第一底壁部61的周向两端向径向突出且在周向上相向。
如图2的虚线所示，第一底壁部61以越离开活塞顶面13a(越接近腔室30的周边部33)而越位于径向内侧的方式倾斜。更具体而言，在图2所示的剖视图上，第一底壁部61沿着与腔室30的周边部33外接的切线而形成。由此，第一底壁部61的下端部61a与周边部33便能够没有折曲或级差地圆滑地相连续。
本实施方式中，第一底壁部61从活塞顶面13a以相对于气缸12a的中心轴X大约30°的倾斜角度α往径向内侧倾斜地朝着周边部33延伸。此外，第一底壁部61只要不是往径向外侧倾斜地朝周边部33延伸便可。因此，倾斜角度α在0°(亦即第一底壁部61与中心轴X平行时的角度)以上的范围中，可以大于或可以小于30°。较为理想的是，倾斜角度α为0°以上且50°以下。
在倾斜角度α小于0°的情况下，从活塞顶面13a侧至第一凹部60的路径便在图2所示的剖面中向径向外侧较大地折曲，难以将活塞顶面13a上的空气流圆滑地导入到腔室30。另一方面，倾斜角度α越大则在图2所示的剖面中越能够使从活塞顶面13a侧至第一凹部60的路径更圆滑，能够容易使空气流导入到腔室30，能够增大其流量。
然而，在倾斜角度α超过50°的情况下，为了维持燃烧室11的压缩比而会过度地减小腔室30的容积。例如，可考虑如图14中的虚线所示那样将第一底壁部610的倾斜角度α设定为大于50°并且减小腔室30的中央隆起部340的深度的做法。然而，若这样做，如图15所示，由于从燃料喷射阀17喷射出来的喷雾Fa与被内周壁面30a改变了方向而沿着中央隆起部340被引导的喷雾Fb容易发生互相干涉(图中的W表示干涉区域)，因此，喷雾F的流动会受到阻碍，从而导致其与空气的混合性下降。另一方面，也可以考虑减小腔室开口部31的做法，但是，若这样做，由于喷雾F到达内周壁面30a时的穿透性相对较强，因此，会导致冷却损失增大。
如图7所示，在周向上相向的一对第一纵壁部62包括位于涡流上游侧的上游侧第一纵壁部621和位于涡流下游侧的下游侧第一纵壁部622。上游侧第一纵壁部621沿着相对于气缸12a的中心呈放射状延伸的平面，换言之，沿着通过气缸12a的中心且与气缸12a的轴心X平行(与活塞顶面13a正交)的平面而形成。下游侧第一纵壁部622俯视下(从上方观察时)沿着越往径向外侧越位于涡流上游侧的圆弧弯曲，而且沿着与气缸12a的轴心X平行(与活塞顶面13a正交)的弯曲面而形成。
如图6所示，第二凹部70以相对于活塞顶面13a进一步下降的方式而向下方(腔室30的底侧)凹设。详细而言，第二凹部70具有：以越往涡流下游侧高度越低(越往腔室30的底侧位置)的方式倾斜的第二底壁部71(相当于本发明的底壁部)；从第二底壁部71的涡流下游侧的周缘竖立设置的第二纵壁部72(相当于本发明的纵壁部)。
如图8所示，第二底壁部71是越往涡流下游侧高度越低的倾斜面，且沿着相对于与气缸12a的轴心X正交的法线(从气缸12a的中心向径向延伸的直线)平行的倾斜面而形成。
参照图8，更具体地说明第二凹部70的形状。将位于下游侧第一纵壁部622的径向内侧的周缘上的点中，位于径向最内侧的点亦即与唇部32的最小径部(隆起到径向最内侧的部分)对应的点假设为基准点PO，并且将通过该基准点PO的平面亦即与从气缸12a的中心呈放射状延伸的直线正交(亦即与径向正交)的平面假设为假设平面Q(以双点划线表示)。
此外，在假设平面Q上，将通过基准点PO且与气缸12a的轴心X平行地延伸的直线假设为第一线L1，将第二底壁部71被投影到假设平面Q上而成的直线(亦即第二底壁部71向径向内侧延伸而成的面与假设平面Q相交的交线)假设为第二线L2，将活塞顶面13a被投影到假设平面Q上而成的直线(亦即活塞顶面13a向径向内侧延伸而成的的面与假设平面Q相交的交线)假设为第三线L3。而且，将第一线L1和第三线L3的交点假设为第1点P1，将第一线L1和第二线L2的交点假设为第2点P2，将第二线L2和第三线L3的交点假设为第3点P3。
此情况下，第2点P2的位置便以如下的方式而被设定：在与第一线L1平行的方向上，其与第1点P1之间的距离H为2mm以上，而且，在与第三线L3平行的方向上，其与第3点P3之间的距离W为2mm以上。而且，第2点P2相对于第一底壁部61的下端部61a(亦即，第一底壁部61和内周壁面30a的连接部)而位于上方(活塞顶面13a侧)且径向内侧，并且位于基准点PO和第1点P1之间。
第二底壁部71在涡流上游侧没有级差地与活塞顶面13a相连续。换言之，第二底壁部71以其的涡流上游侧的缘部亦即上游侧缘部73位于活塞顶面13a上的方式形成。上游侧缘部73从第一凹部70的上游侧第一纵壁部621的上端部(活塞顶面13a侧的端部)连续地呈放射状延伸。第二底壁部71以从上游侧缘部73朝着涡流下游侧高度逐渐变低的方式(以越往涡流下游侧而越往腔室30的底侧位置的方式)形成。
如图7所示，第二纵壁部72从下游侧第一纵壁部622的上端部(活塞顶面13a侧的端部)连续地朝着径向外侧且涡流上游侧呈圆弧状延伸，并且与上游侧缘部73中处于径向最外侧的端部亦即外端部73a连接。更具体而言，第二纵壁部72以与由双点划线所示的假设圆CO的圆周相一致的方式形成。同样地，下游侧第一纵壁部622也以与假设圆CO的圆周相一致的方式形成。切口部40的下游侧纵壁部42b基于如此形成在同一圆周上的下游侧第一纵壁部622和第二纵壁部72没有级差地连接，而形成为一个连续的曲面。
如图7所示，在将通过第1点P1(或基准点P0、第2点P2)而向径向延伸的直线假设为第四线L4，并且将从活塞13的外周面向径向内侧偏置了指定量d的同心圆假设为圆C1的情况下，假设圆CO便被设定为与第四线L4和圆C1相接的圆。假设圆CO是通过第1点P1(或基准点PO、第2点P2)的圆。
亦即，在图7所示的俯视下，切口部40的下游侧纵壁部42b被设定为在从第二凹部70的上游侧缘部73的外端部73a至基准点PO之间的范围沿着假设圆CO向涡流下游侧延伸的曲面。下游侧纵壁部42b以在基准点PO处指向气缸12a的轴心X的方式，换言之，以从下游侧纵壁部42b的径向内侧的端部向假设圆CO的切线方向延伸的延长线与气缸12a的轴心X相交的方式形成。此外，指定量d被设定为如下那样的相应的值：能够确保到第二凹部70和活塞13的外周面之间的壁厚为所需量。
第一底壁部61与第二底壁部71的连接部上形成有在图2的剖视下设为圆弧状的倒角部43。换言之，切口部40的底壁部41在从活塞顶面13a至腔室30的周边部33之间，以倾斜程度按第二底壁部71、倒角部43、第一底壁部61的顺序阶段性地变得陡峭的方式形成。如图7所示，倒角部43在上游侧纵壁部42a和下游侧纵壁部42b之间，以越往涡流下游侧越位于径向内侧的方式倾斜地延伸。如图2所示，倒角部43的倒角径r1被设定为2mm以上且假设圆CO的半径r0(参照图7)的一半以下的大小。
如上所述，第二底壁部71以越往涡流下游侧高度变得越低(越往腔室30的底侧位置)的方式倾斜。因此，第二纵壁部72以越往涡流下游侧(或者越往径向内侧)其在气缸12a的轴心X方向上的阔度逐渐增加的方式形成。
返回到图3，各切口部40被形成在绕气缸12a的中心轴X的指定的角度范围β上。此外，此处所说的角度范围β是指在腔室30的内周壁面30a上开口的切口部40的开口宽度，也就是唇部32的最小径部(隆起到径向最内侧的部分)上的切口部40的周向宽度。由于下游侧纵壁部42b朝着径向外侧且涡流上游侧呈圆弧状延伸(由此，切口部40的周向宽度逐渐减小)，因此，在唇部32的最小径部以外的位置(相对于最小径部而位于径向外侧)处，切口部40的周向的角度范围小于β。
考虑到喷雾F的喷雾角θ(图3的俯视下的扩展度)，角度范围β以能够确保接受喷雾F的非切口部50有指定的角度范围(至少为15°)的方式而被设定。详细而言，考虑到所设想的喷孔数量(例如至多也只是16个喷孔)，切口部40的角度范围β被设定在7.5°以上且30°以下，以使非切口部50具有大于喷雾F的喷雾角θ的角度范围。
即，在考虑到喷雾F的喷雾角θ时，非切口部50需要至少15°的角度范围。此情况下，将多个切口部40的各自的角度范围β设定为7.5°时，便能够形成角度范围15°的非切口部50共计16个，因此，便能够使用最多具有16个喷孔的燃料喷射阀17。此外，将多个切口部40的各自的角度范围β设定为30°时，便能够形成角度范围15°的非切口部50共计8个，因此，便能够使用具有最多8个喷孔的燃料喷射阀17。
本实施方式中，切口部40的角度范围β被设定为14°，非切口部50的角度范围被设定为22°。非切口部50的角度范围(22°)大于上述的下限的角度范围(15°)。
其次，说明该实施方式的作用效果。
图9是示意性地表示了在活塞13位于压缩上止点近傍时的燃烧室11中的喷雾F及空气流Z的立体图。本实施方式中，如上所述，在燃烧室11中生成涡流S和挤压流V(参照图3)，基于生成在位于压缩上止点近傍的活塞顶面13a上的这些水平方向的气流S、V，从而生成从切口部40被导入到腔室30内部的空气流Z。
即，基于俯视下绕顺时针方向流动的涡流S与从径向外侧流往径向内侧的挤压流V合成而生成经由多个切口部40而从腔室30的内周壁面30a往中央隆起部34侧的空气流Z。因此，如图9所示，被导入到腔室的空气流Z便以沿着涡流S向顺时针方向流动并且沿着挤压流V向径向内侧流动的方式而呈螺旋状往中央隆起部34的中央流动。
此时，切口部40起到了使空气流Z更圆滑地导入到腔室30内部的作用。即，本实施方式中，通过第一凹部60和与该第一凹部60的径向外侧相连续的第二凹部70来构成切口部40，并且该切口部40的下游侧纵壁部42b亦即第一凹部60的下游侧第一纵壁部622和第二凹部70的第二纵壁部72以从与第二凹部70的径向外侧的端部对应的位置(外端部73a)朝着涡流下游侧且径向内侧而呈圆弧状延伸的方式形成(参照图7及图8)。因此，在位于上止点近傍的活塞13的顶面13a上(挤压部)沿着周向流动的涡流S便沿着第二凹部70的圆弧状的第二纵壁部72逐渐往径向内侧改变方向并被引导到第一凹部60。即，本实施方式中，能够使活塞顶面13a上(挤压部)的水平方向的气流逐渐转换方向往径向内侧且圆滑地导入到第一凹部60，并且能够抑制其导入过程中的能损失，其结果，能够使导入到腔室30内部的空气流Z的流势维持在高状态。
此外，第二凹部70以朝着涡流下游侧高度逐渐变低的方式(越往涡流下游侧越往腔室30底侧位置的方式)倾斜。因此，在活塞顶面13a上沿着周向流动的涡流S便沿着第二凹部70的第二底壁部71逐渐往下方(腔室30的底侧)改变方向并被引导到第一凹部60。这样，本实施方式中，基于第二凹部70中的倾斜的底壁(第二底壁部71)，气流的方向被改变，因此，与从活塞顶面13a直接引导气流到第一凹部60的情形相比，既能够使活塞顶面13a上的水平方向的气流逐渐向下方转换方向又能够使之圆滑地导入到第一凹部60。由此，既能够使来自活塞顶面13a的空气流Z维持在比较强的流势又能够使之导入到腔室30的内部。
而且，在第一凹部60和第二凹部70的连接部中形成有带有圆形的倒角部43。由此，能够使从活塞顶面13a导入到第二凹部70的空气流Z经由倒角部43而圆滑地导入到第一凹部60。假若在第一凹部60和第二凹部70的连接部处没有形成倒角部时，从第二凹部70至第一凹部60的空气流Z的方向便会发生急剧变化，导致能损失增大且导入到腔室30的空气流的流势下降。
此处，图10表示低负荷区域中的燃烧前半阶段的状态。如图10所示，在低负荷区域中，从燃料喷射阀17被喷射出的喷雾F在到达内周壁面30a后，其大部分改变方向而沿着周边部33流向腔室30的底侧。然而，由于在低负荷区域中，喷雾F的穿透性弱(亦即流动性低)，因此，喷雾F便滞留在周边部33近傍。
对此，在本实施方式中，如图9及图10所示，从切口部40被导入的空气流Z一边将位于涡流下游侧的喷雾F卷入一边朝中央隆起部34呈螺旋状流动。由此，如图10所示，促进了滞留在周边部33的喷雾F的往中央隆起部34侧的流动，因此，能够提高喷雾F与腔室30内的空气的混合性。
而且，空气流Z朝向与滞留在周边部33的喷雾F的方向大致相同的方向，因此，不会阻碍喷雾F的流动，相反还会辅助其往中央隆起部34侧的移动。由此，喷雾F的流动进一步得到促进。此外，由于第一凹部60的第一底壁部61沿着剖视下外接周边部33的切线而被形成，因此，能够使从切口部40被导入的空气流Z圆滑地导入周边部33。由此，喷雾F的流动更进一步被促进。
此外，本实施方式中，构成周边部33的第二部分33b的圆弧的半径R2较大(比第一部分33a的半径R1大)，因此，如图10所示，能够将喷雾F所碰撞的部位上的切线T的方向与喷雾F的喷射方向所构成的角度设定得较小。由此，不会导致喷雾F与内周壁面30a剧烈碰撞而散乱到周边，能够圆滑地将喷雾F导入到第二部分33b。
此外，基于唇部32的存在，在第二部分33b和唇部32的交界近傍与唇部32碰撞后的喷雾F也不会太过散乱而以主要往第二部分33b侧圆滑地流动的方式被引导。由此，喷雾F的大部分被导入腔室30内。
而且，喷雾F的流动的方向变为从第二部分33b移动到第一部分33a并且从活塞13的径向外侧往内侧移动的方向。此时，由于第一部分33a的半径R1小于第二部分33b的半径R2，因此，喷雾F的扩散受到抑制，并且基于来自切口部40的空气流Z的辅助，往第三部分33c的喷雾F的流动被加速。
此时，部分的燃料的燃烧已经开始，从而产生燃烧气体，喷雾F便成为燃烧气体和未燃烧燃料混合在一起的半燃烧状态，处于该半燃烧状态的喷雾F(以下将此称作半燃烧气体)的流动基于第一部分33a而被加速，从而附着于周边部33的壁面的燃料被吹散。由此，能够抑制因在包含附着燃料的局部富油区域中的燃烧而产生的煤烟的量。
此外，由于周边部33以连结燃料喷射时最远离燃料喷射阀17的第一部分33a内的位置J与燃料喷射阀17的喷孔17a的直线Y为中心而对称地形成，因此，一旦被加速后而被减速的半燃烧气体的流动不发生较大的分散而以第一部分33a的上述位置J为界线而圆滑地变换为从活塞13的径向外侧往内侧的流动。
其次，对方向被改变为往活塞13的径向内侧的半燃烧气体在腔室30的中央隆起部34处与大量的空气混合为止的燃烧后半阶段进行说明。如图11所示，方向被改变为往径向内侧的半燃烧气体沿着周边部33的第三部分33c而被引导，并且从该周边部33朝着中心部凸起的腔室30的底部的中央隆起部34移动。
此时，由于周边部33中的第三部分33c的半径R3大于第一部分33a的半径R1，因此，能够防止导入到第三部分33c的喷雾F急剧地向腔室开口部31侧(向上方)改变方向。由此，能够避免调头后的喷雾F与刚从燃料喷射阀17被喷射出的喷雾F干涉。
其结果，半燃烧气体的流动便能够维持原来的流势而不会发生分散地朝腔室30的中央隆起部34侧流动，与燃烧室11的中央部所存在的大量的空气良好地混合，生成均匀的且稀薄的燃烧气体。而且，基于在此状态下进行的燃烧，能够抑制因在富油区域燃烧而导致的煤烟的发生，而且基于燃烧气体整体相对地稀薄，还能够有效地使在局部产生的煤烟被氧化。
亦即，即使是因穿透性弱而容易滞留在腔室的内周壁面30a的喷雾F，也能够被促进流动，从而能够提高其与腔室30中的空气的混合性。
而且，空气流Z从多个切口部40被导入腔室30，并且基于该空气流Z，能够使从多个喷孔17a被喷射出的喷雾F往腔室30的中央隆起部34侧流动。此外，由于喷雾F朝着非切口部50被喷射出，因此，在其被腔室30的内周壁面30a引导而改变了方向后，基于向与该方向相同的方向被导入的来自切口部40的空气流Z，其往中央隆起部34侧的流动便得到更进一步的促进。
此外，多个切口部40分别被形成在俯视下绕气缸12a的中心轴X的7.5°以上且30°以下的角度范围内。由此，能够恰当地确保到非切口部50的角度范围，因此，基于腔室30的内周壁面30a，能够良好地引导喷雾F，并且能够更有效地通过切口部40来产生空气流Z。
例如，将切口部40的角度范围β设为小于7.5°时，由于切口部40的容积相对地变小，因此，通过切口部40而被导入的空气流的动量减少，喷雾流动的促进效果便变少。
相反，即使将切口部40的角度范围β设为大于30°，也不能太期待能够提高基于切口部40的喷雾F流动的促进效果。而且，因切口部40的容积被设定得过大而为了维持燃烧室11的压缩比而会产生将腔室30的容积设定得过小的问题。此情况下，如在前面利用图14及图15所说明的那样，在喷雾的混合性及冷却损失方面存在不利。即，若将燃烧室11设定得较浅，则从燃料喷射阀17被喷射出的喷雾容易发生互相干涉，导致喷雾和空气的混合性下降。另一方面，若将腔室开口部31设定得较小，则喷雾F到达内周壁面30a时的穿透性便变得相对较强，从而导致冷却损失增大。
此外，如图8所示，在假设平面Q上，第2点P2的位置被设定为：在与第一线L1平行的方向上与第1点P1之间的距离H为2mm以上，而且在与第三线L3平行的方向上与第3点P3之间的距离W为2mm以上。由此，本实施方式中，即使在第一凹部60和第二凹部70的连接部形成具有至少2mm的倒角径的倒角部43，也能够防止第一凹部60消失。
即，在倒角部43的倒角径为2mm的情况下，假若第2点P2和第3点P3之间的距离W为小于2mm，第一凹部60有时会因倒角部43而消失。另一方面，若如上述那样使距离W为2mm以上时，由于第一凹部60不会消失，因此，利用该第一凹部60能够将空气流Z切实地引导到腔室30的内部。
此外，由于第1点P1和第2点P2之间的距离H为2mm以上，因此，能够形成具有充分的深度的第二凹部70。由此，能够将在活塞顶面13a上流动的空气通过第二凹部70而切实地引导到第一凹部60。
此外，由于第2点P2相对于第一底壁部61的下端部61a而位于上方(活塞顶面13a侧)，因此，防止了第二凹部70直接呈现在腔室30的内周壁面30a上的情况。即，在活塞顶面13a上流动的空气并不通过第二凹部70直接被导入腔室30内，而必定通过第二凹部70及第一凹部60双方而被导入腔室30内。由此，本实施方式中，能够使空气流Z依次经由第二凹部70和第一凹部60而阶段性地向下方(腔室30的底侧)转换方向并且圆滑地导入到腔室30内。
此外，由于倒角部43的倒角径r1被设定为2mm以上，因此，能够使空气流Z从第二凹部70沿着该倒角部43圆滑地导入到第一凹部60。另一方面，在倒角部43的倒角径为小于2mm时，从第二凹部70到第一凹部60的空气流Z的方向会发生比较急剧的变化，因而会担忧流动性下降。
此外，由于倒角部43的倒角径r1被设定为假设圆CO的半径r0的一半以下的大小，因此，基于该倒角部43，能够防止第二凹部70消失。
图12及图13是燃烧室11的俯视图，表示了将切口部40的数量NC设为燃料喷射阀17的喷孔数量NH的一半的变形例。图12所示的例子中，喷孔数量NH为10，切口部40的数量NC为5。从燃料喷射阀17被喷射出的各喷雾F与切口部40在周向上的一侧相邻，而在另一侧与喷雾F相邻。
此情况下，在燃烧室11中生成涡流S时，如图13所示，空气流Z以如下的方式产生作用：基于压力下降而将在涡流S的上游侧(图13中逆时针方向侧)相邻的喷雾F1吸引，并且将在涡流S的下游侧(图13中顺时针方向侧)相邻的喷雾F2卷入，使之流往腔室30的中央隆起部34侧。
此外，作为喷孔数量NH的函数也可以设定切口部40的角度范围β。此情况下，燃料喷射阀17的喷孔数量NH、切口部40的角度范围β以满足以下的式(2)的关系的方式而被设定。
(360°×0.1)/NH≤β≤(360°-NH×15°)/NH (2)
即，在将角度范围β设定为下限值的情况下，所有的切口部40的角度范围β的合计值能够确保到活塞顶面13a的周部中的至少10％，从而能够确保到经由切口部40而被导入腔室30的空气流的流量。此外，在角度范围β设定为上限值的情况下，能够确保非切口部50至少在15°的角度范围内，因此，能够通过非切口部50将喷雾F承接，并且能够将其沿着内周壁面30a引导到腔室30。
上述实施方式中，以具有凹腔型的腔室的活塞为例进行了说明，但是，本发明还可以应用于具有浅底型或深坑型等各种腔室的活塞。
此外，上述实施方式中，将多个切口部40设置于腔室开口部31的周缘部，但是本发明并不仅限于此。即，也可以将其仅设置在一处。即使这样设置，也能够使空气流从切口部40导入到腔室30。
[参考例]
以下说明的参考例1至4并非是使用了具有包括第一凹部60及第二凹部70的切口部40的上述实施方式的活塞13而是使用了具有如下切口部的活塞的例子，该切口部通过使第一凹部60延伸至活塞顶面13a(省略了第二凹部70)而成，具有大致规定宽度。针对该比较例1至4的活塞13，通过CAE(计算机辅助工程)分析来评价腔室内的空气流。如表1所示，参考例1至4中仅切口部的底壁部的倾斜角度(与实施方式的倾斜角度α相当的值)不同而其它均相同。即，在参考例1至4的任一例中，燃料喷射阀的喷孔数量为10，切口部40的数量为10，周向上的角度范围(与实施方式的倾斜角度β对应的值)为14°。
参考例1中，切口部的倾斜角度为0°，参考例2至4中，切口部的倾斜角度按20°、30°、45°的顺序增大。利用具有参考例1至4所涉及的切口部的活塞，通过各者的最高流速来评价发动机的低速区域中的空气流，得到下述表1的结果。在表1中，以参考例1中的最高流速为100时的指数来表示气流的最高流速。
表1
从表1可知，随着切口部的倾斜角度从0°开始增大，空气流Z的最大流速也增大。尤其是从参考例2及参考例3可知，倾斜角度大于20°时，空气流的最大流速显著地增大。另一方面，从参考例3及参考例4可知，随着倾斜角度大于30°，最大流速的上升效果有所收敛。
因此，通过将切口部的倾斜角度设定为0°以上，能够提高空气流的最大流速，由此，能够提高腔室中的喷雾的流动性。另一方面，通过将切口部的倾斜角度设定为50°以下，既能够防止切口部的范围变得过大又能够有效地提高喷雾的流动性。
<实施方式的总结>
上述实施方式的柴油发动机的特征总结如下。
柴油发动机包括：气缸；气缸盖，覆盖所述气缸的端面，并且形成有使涡流生成于燃烧室的进气道；活塞，具有向所述气缸盖这一侧的相反侧凹设而成的腔室；以及燃料喷射阀，具有喷孔，该喷孔指向位于上止点的所述活塞的所述腔室内；其中，所述活塞还具有形成在所述腔室的周缘部的切口部，所述切口部包含：第一凹部，在所述腔室的周缘部的周向的局部通过使该腔室的内周壁面向径向外侧凹设而成；以及第二凹部，从所述活塞的顶面向所述腔室的底侧凹设，并且从所述第一凹部的所述顶面这一侧的端部向径向外侧连续地延伸；其中，所述第二凹部具有底壁部和从该底壁部中所述涡流的下游侧的周缘竖立设置的纵壁部，所述纵壁部以如下的方式形成：俯视下，该纵壁部从与所述第二凹部的径向外侧的端部对应的位置朝着径向内侧且所述涡流的下游侧而呈圆弧状延伸。
根据该结构，在处于上止点近傍的活塞的顶面上(挤压部)所产生的水平方向的气流(例如涡流或挤压流)通过切口部而被导入到腔室的内部。所导入的空气流使从燃料喷射阀喷射出且到达腔室的内周壁面近傍的喷雾往腔室的中央部侧移动。由于如此促进了喷雾往腔室的中央部侧的流动，因此，即使是因穿透性较弱而容易滞留于腔室的内周壁面的喷雾，该喷雾的流动也能够被促进，从而能够提高其与腔室中的空气的混合。
而且，切口部由第一凹部和与该第一凹部的径向外侧相连续的第二凹部构成，而且第二凹部以其的涡流下游侧的纵壁部朝着径向外侧且涡流的上游侧呈圆弧状延伸的方式形成。因此，在活塞的顶面上(挤压部)沿着周向流动的涡流便沿着第二凹部的圆弧状的纵壁部逐渐往径向内侧改变方向并被引导到第一凹部。即，根据上述结构，能够使挤压部中水平方向的气流逐渐转换方向往径向内侧且圆滑地导入到第一凹部，并且能够抑制其导入过程中的能损失，其结果，能够使导入到腔室内的空气流的流势维持在高状态。
较为理想的是所述切口部为多个，这些切口部以在周向上彼此隔开间隔的方式而形成。
根据该结构，由于空气流从多个切口部被导入到腔室，因此，能够进一步加强喷雾往腔室中央部侧的流动。
较为理想的是所述燃料喷射阀在沿所述气缸的中心轴方向观察时位于所述气缸的径向中心，所述燃料喷射阀具有能够呈放射状喷射燃料的多个喷孔。
根据该结构，基于从切口部导入的空气流，能够使从多个喷孔喷射出的喷雾往腔室中央部侧流动。由此，能够使已被促进了与空气的混合的喷雾大致均匀地在腔室中扩散。
较为理想的是所述燃料喷射阀具有能够以指向所述腔室的周缘部上所述切口部以外的部位亦即非切口部的方式来喷射燃料的喷孔。
根据该结构，朝着非切口部被喷射出的喷雾基于腔室的内周壁面而被引导往中央部侧，并且基于从切口部被导入的空气流而能够进一步促进喷雾往中央部侧的流动。
较为理想的是所述腔室的壁面具有：中央隆起部，以越往腔室的中心侧而越接近所述燃料喷射阀的方式隆起；周边部，在所述中央隆起部的径向外侧以剖视下向径向外侧凹陷的方式而形成；唇部，形成在所述周边部和所述活塞的顶面之间而且剖视下向所述活塞的径向内侧突出，所述燃料喷射阀的喷孔以如下的方式形成：指向与所述活塞位于上止点时的所述非切口部中所述唇部和所述周边部的交界的近傍对应的位置。
根据该结构，通过利用唇部及周边部的形状，能够使朝非切口部被喷射出的喷雾流往腔室的中央部(中央隆起部)侧。
产业上的可利用性
如上所述，根据本发明所涉及的柴油发动机，即使是穿透性弱的喷雾，该喷雾在腔室中的流动性也能够被提高，能够促进其与空气的混合，因此，本发明在这样的制造技术领域中具有良好的可利用性。

Claims (5)

1.一种柴油发动机，其特征在于包括：
气缸；
气缸盖，覆盖所述气缸的端面，并且形成有使涡流生成于燃烧室的进气道；
活塞，具有向所述气缸盖这一侧的相反侧凹设而成的腔室；以及
燃料喷射阀，具有喷孔，该喷孔指向位于上止点的所述活塞的所述腔室内；其中，
所述活塞还具有形成在所述腔室的周缘部的切口部，
所述切口部包含：
第一凹部，在所述腔室的周缘部的周向的局部通过使该腔室的内周壁面向径向外侧凹设而成；以及
第二凹部，从所述活塞的顶面向所述腔室的底侧凹设，并且从所述第一凹部的所述顶面这一侧的端部向径向外侧连续地延伸；其中，
所述第二凹部具有底壁部和从该底壁部中所述涡流的下游侧的周缘竖立设置的纵壁部，
所述纵壁部以如下的方式形成：俯视下，该纵壁部从与所述第二凹部的径向外侧的端部对应的位置朝着径向内侧且所述涡流的下游侧而呈圆弧状延伸。
2.根据权利要求1所述的柴油发动机，其特征在于：
所述切口部为多个，这些切口部以在周向上彼此隔开间隔的方式而形成。
3.根据权利要求1或2所述的柴油发动机，其特征在于：
所述燃料喷射阀在沿所述气缸的中心轴方向观察时位于所述气缸的径向中心，所述燃料喷射阀具有能够呈放射状喷射燃料的多个喷孔。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的柴油发动机，其特征在于：
所述燃料喷射阀具有能够以指向所述腔室的周缘部上所述切口部以外的部位亦即非切口部的方式来喷射燃料的喷孔。
5.根据权利要求4所述的柴油发动机，其特征在于，
所述腔室的壁面具有：中央隆起部，以越往腔室的中心侧而越接近所述燃料喷射阀的方式隆起；周边部，在所述中央隆起部的径向外侧以剖视下向径向外侧凹陷的方式而形成；唇部，形成在所述周边部和所述活塞的顶面之间而且剖视下向所述活塞的径向内侧突出，
所述燃料喷射阀的喷孔以如下的方式形成：指向与所述活塞位于上止点时的所述非切口部中所述唇部和所述周边部的交界的近傍对应的位置。
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