燃料直喷发动机 【技术领域】
本发明涉及燃料直喷发动机，该燃料直喷发动机：活塞，其顶面的高度在圆周方向上变化；空腔，其凹进设置在所述活塞的中央部；以及燃料喷射器，其沿着多个燃料喷射轴喷射燃料，所述多个燃料喷射轴指向所述空腔内的在圆周方向上离开的多个方向。
背景技术
虽然一般情况下燃料直喷柴油机的活塞的顶面形成为平坦的顶面，但是，通过下述的专利文献1公知有使活塞的顶面呈屋脊状地突出的燃料直喷柴油机。
如果在屋脊式的活塞的顶面上凹进设置空腔，则空腔的开口的高度在圆周方向上变化。因此，如果使空腔的底壁部的高度在圆周方向上恒定，则空腔的周壁部的深度在圆周方向上变化，从而从燃料喷射器喷射的燃料和空气的混合状态在圆周方向上变得不均匀，存在发动机的输出降低或者排气中有害物质增加的问题。
为了解决该问题，专利文献1中所记载的燃料直喷发动机使空腔的底壁部的高度追随着空腔的开口的高度的变化而变化，从而使空腔的周壁部的深度在圆周方向上恒定，由此空腔中的燃料和空气的混合状态在圆周方向上变得均匀。
专利文献1：日本特开昭62-255520号公报
本申请人在日本特愿2006-175597号中提出了在通过燃料喷射器的燃料喷射点并与活塞的顶面正交的任意截面中使空腔的截面形状一致，以使燃料和空气的混合状态在空腔的圆周方向上均匀化的燃料直喷发动机。
但是，即使如上所述使空腔的截面形状一致，由于在具备屋脊式的活塞的柴油机中挤气(squish)流的大小在圆周方向上容易变得不均匀，因此存在燃料在挤气流小的部分从空腔流出、或者燃料在挤气流大的部分被压入空腔的底部，从而混合气体的燃烧状态恶化的可能性。
并且，由于当活塞开始从上止点下降时从空腔朝活塞的外周部流动的逆挤气流的大小在圆周方向上容易变得不均匀，因此存在燃料在逆挤气流小的部分滞留在空腔的底部、或者燃料在逆挤气流大的部分流出至空腔的外部，从而混合气体的燃烧状态恶化的可能性。
【发明内容】
本发明就是鉴于上述情况而做出的，其目的在于，在燃料直喷发动机中，即使挤气流的大小、或者逆挤气流地大小在圆周方向上不均匀，也能够使空腔内的燃料和空气的混合状态均匀化。
为了达成上述目的，本发明的第一特征在于，燃料直喷发动机具备：活塞，其顶面的高度在圆周方向上变化；空腔，其凹进设置在所述活塞的中央部；以及燃料喷射器，其沿着多个燃料喷射轴喷射燃料，所述多个燃料喷射轴指向所述空腔内的在圆周方向上离开的多个方向，其中，挤气流的大小在圆周方向上变化，指向挤气流大的方向的第二燃料喷射轴与所述空腔碰撞的第二碰撞角设定成，比指向挤气流小的方向的第一燃料喷射轴与所述空腔碰撞的第一碰撞角大。
并且，本发明的第二特征在于，燃料直喷发动机具备：活塞，其顶面的高度在圆周方向上变化；空腔，其凹进设置在所述活塞的中央部；以及燃料喷射器，其沿着多个燃料喷射轴喷射燃料，所述多个燃料喷射轴指向所述空腔内的在圆周方向上离开的多个方向，其中，挤气区域在圆周方向上变化，指向所述挤气区域大的方向的第二燃料喷射轴与所述空腔碰撞的第二碰撞角设定成，比指向所述挤气区域小的方向的第一燃料喷射轴与所述空腔碰撞的第一碰撞角大。
并且，本发明的第三特征在于，燃料直喷发动机具备：活塞，其顶面的高度在圆周方向上变化；空腔，其凹进设置在所述活塞的中央部；以及燃料喷射器，其沿着多个燃料喷射轴喷射燃料，所述多个燃料喷射轴指向所述空腔内的在圆周方向上离开的多个方向，其中，挤气区域的宽度在圆周方向上变化，指向所述宽度大的方向的第二燃料喷射轴与所述空腔碰撞的第二碰撞角设定成，比指向所述宽度小的方向的第一燃料喷射轴与所述空腔碰撞的第一碰撞角大。
并且，本发明的第四特征在于，燃料直喷发动机具备：活塞，其顶面的高度在圆周方向上变化；空腔，其凹进设置在所述活塞的中央部；以及燃料喷射器，其沿着多个燃料喷射轴喷射燃料，所述多个燃料喷射轴指向所述空腔内的在圆周方向上离开的多个方向，其中，挤气区域的棱线长度在圆周方向上变化，指向所述棱线长度大的方向的第二燃料喷射轴与所述空腔碰撞的第二碰撞角设定成，比指向所述棱线长度小的方向的第一燃料喷射轴与所述空腔碰撞的第一碰撞角大。
并且，本发明的第五特征在于，燃料直喷发动机具备：活塞，其顶面的高度在圆周方向上变化；空腔，其凹进设置在所述活塞的中央部；以及燃料喷射器，其沿着多个燃料喷射轴喷射燃料，所述多个燃料喷射轴指向所述空腔内的在圆周方向上离开的多个方向，其中，挤气间隙在圆周方向上变化，指向所述挤气间隙小的方向的第二燃料喷射轴与所述空腔碰撞的第二碰撞角设定成，比指向所述挤气间隙大的方向的第一燃料喷射轴与所述空腔碰撞的第一碰撞角大。
并且，在第一特征至第五特征中的任一特征的基础上，本发明的第六特征在于，所述第二碰撞角在90°以上。
并且，在第一特征至第六特征中的任一特征的基础上，本发明的第七特征在于，设通过第n燃料喷射轴的所述空腔的截面为燃料喷射截面Sn，设所述燃料喷射截面Sn与所述空腔的开口周缘的交点为第一特定点An，第二特定点Bn存在于通过所述第一特定点An且在所述燃料喷射截面Sn中与气缸盖的下表面平行的线上，第三特定点Cn存在于所述燃料喷射截面Sn中的所述空腔的底壁部上，所述第二特定点Bn位于比所述第一特定点An还靠近活塞中心轴的位置，所述第三特定点Cn位于比所述空腔的底壁部的最大外径位置还靠近活塞中心轴的位置，由路径AnBn、路径AnCn以及路径BnCn所包围的截面形状在各个燃料喷射截面Sn中大致相等，所述路径AnBn以所述燃料喷射截面Sn中的沿着所述气缸盖的下表面的线连结所述第一特定点An和所述第二特定点Bn，所述路径AnCn以所述燃料喷射截面Sn中的沿着所述空腔的壁面的线连结所述第一特定点An和所述第三特定点Cn，所述路径BnCn以最短的直线连结所述第二特定点Bn和所述第三特定点Cn。
并且，在第一特征至第七特征中的任一特征的基础上，本发明的第八特征在于，所述燃料喷射器所喷射的燃料在所述活塞到达上止点以前与所述空腔碰撞。
并且，本发明的第九特征在于，燃料直喷发动机具备：活塞，其顶面的高度在圆周方向上变化；空腔，其凹进设置在所述活塞的中央部；以及燃料喷射器，其沿着多个燃料喷射轴喷射燃料，所述多个燃料喷射轴指向所述空腔内的在圆周方向上离开的多个方向，其中，逆挤气流的大小在圆周方向上变化，指向逆挤气流大的方向的第二燃料喷射轴与所述空腔的开口端的方向所成的第二燃料喷射角设定成，比指向逆挤气流小的方向的第一燃料喷射轴与所述空腔的开口端的方向所成的第一燃料喷射角大。
并且，本发明的第十特征在于，燃料直喷发动机具备：活塞，其顶面的高度在圆周方向上变化；空腔，其凹进设置在所述活塞的中央部；以及燃料喷射器，其沿着多个燃料喷射轴喷射燃料，所述多个燃料喷射轴指向所述空腔内的在圆周方向上离开的多个方向，其中，挤气区域在圆周方向上变化，指向所述挤气区域大的方向的第二燃料喷射轴与所述空腔的开口端的方向所成的第二燃料喷射角设定成，比指向所述挤气区域小的方向的第一燃料喷射轴与所述空腔的开口端的方向所成的第一燃料喷射角大。
并且，本发明的第十一特征在于，燃料直喷发动机具备：活塞，其顶面的高度在圆周方向上变化；空腔，其凹进设置在所述活塞的中央部；以及燃料喷射器，其沿着多个燃料喷射轴喷射燃料，所述多个燃料喷射轴指向所述空腔内的在圆周方向上离开的多个方向，其中，挤气区域的宽度在圆周方向上变化，指向所述宽度大的方向的第二燃料喷射轴与所述空腔的开口端的方向所成的第二燃料喷射角设定成，比指向所述宽度小的方向的第一燃料喷射轴与所述空腔的开口端的方向所成的第一燃料喷射角大。
并且，本发明的第十二特征在于，燃料直喷发动机具备：活塞，其顶面的高度在圆周方向上变化；空腔，其凹进设置在所述活塞的中央部；以及燃料喷射器，其沿着多个燃料喷射轴喷射燃料，所述多个燃料喷射轴指向所述空腔内的在圆周方向上离开的多个方向，其中，挤气区域的棱线长度在圆周方向上变化，指向所述棱线长度大的方向的第二燃料喷射轴与所述空腔的开口端的方向所成的第二燃料喷射角设定成，比指向所述棱线长度小的方向的第一燃料喷射轴与所述空腔的开口端的方向所成的第一燃料喷射角大。
并且，本发明的第十三特征在于，燃料直喷发动机具备：活塞，其顶面的高度在圆周方向上变化；空腔，其凹进设置在所述活塞的中央部；以及燃料喷射器，其沿着多个燃料喷射轴喷射燃料，所述多个燃料喷射轴指向所述空腔内的在圆周方向上离开的多个方向，其中，挤气间隙在圆周方向上变化，指向所述挤气间隙小的方向的第二燃料喷射轴与所述空腔的开口端的方向所成的第二燃料喷射角设定成，比指向所述挤气间隙大的方向的第一燃料喷射轴与所述空腔的开口端的方向所成的第一燃料喷射角大。
并且，在第九特征至第十三特征中的任一特征的基础上，本发明的第十四特征在于，设通过第n燃料喷射轴的所述空腔的截面为燃料喷射截面Sn，设所述燃料喷射截面Sn与所述空腔的开口周缘的交点为第一特定点An，第二特定点Bn存在于通过所述第一特定点An且在所述燃料喷射截面Sn中与气缸盖的下表面平行的线上，第三特定点Cn存在于所述燃料喷射截面Sn中的所述空腔的底壁部上，所述第二特定点Bn位于比所述第一特定点An还靠近活塞中心轴的位置，所述第三特定点Cn位于比所述空腔的底壁部的最大外径位置还靠近活塞中心轴的位置，由路径AnBn、路径AnCn以及路径BnCn所包围的截面形状在各个燃料喷射截面Sn中大致相等，所述路径AnBn以所述燃料喷射截面Sn中的沿着所述气缸盖的下表面的线连结所述第一特定点An和所述第二特定点Bn，所述路径AnCn以所述燃料喷射截面Sn中的沿着所述空腔的壁面的线连结所述第一特定点An和所述第三特定点Cn，所述路径BnCn以最短的直线连结所述第二特定点Bn和所述第三特定点Cn。
根据本发明的第一特征，即使从活塞的外周部向空腔流动的挤气流的大小在圆周方向上变化，由于在挤气流小的方向第一碰撞角变小从而燃料流出至空腔的外部的倾向变弱，在挤气流大的方向第二碰撞角变大从而燃料流出至空腔的外部的倾向变强，因此无论挤气流的大小如何都能够在空腔的整个区域使燃料和空气的混合状态均匀化。
并且，根据本发明的第二特征，即使由于挤气区域在圆周方向上变化而导致从活塞的外周部向空腔流动的挤气流的大小在圆周方向上变化，由于在挤气流小的方向(即挤气区域小的方向)第一碰撞角变小从而燃料流出至空腔的外部的倾向变弱，在挤气流大的方向(即挤气区域大的方向)第二碰撞角变大从而燃料流出至空腔的外部的倾向变强，因此无论挤气流的大小如何都能够在空腔的整个区域使燃料和空气的混合状态均匀化。
并且，根据本发明的第三特征，即使由于挤气区域的宽度在圆周方向上变化而导致从活塞的外周部向空腔流动的挤气流的大小在圆周方向上变化，由于在挤气流小的方向(即挤气区域的宽度小的方向)第一碰撞角变小从而燃料流出至空腔的外部的倾向变弱，在挤气流大的方向(即挤气区域的宽度大的方向)第二碰撞角变大从而燃料流出至空腔的外部的倾向变强，因此无论挤气流的大小如何都能够在空腔的整个区域使燃料和空气的混合状态均匀化。
并且，根据本发明的第四特征，即使由于挤气区域的棱线长度在圆周方向上变化而导致从活塞的外周部向空腔流动的挤气流的大小在圆周方向上变化，由于在挤气流小的方向(即挤气区域的棱线长度小的方向)第一碰撞角变小从而燃料流出至空腔的外部的倾向变弱，在挤气流大的方向(即挤气区域的棱线长度大的方向)第二碰撞角变大从而燃料流出至空腔的外部的倾向变强，因此无论挤气流的大小如何都能够在空腔的整个区域使燃料和空气的混合状态均匀化。
并且，根据本发明的第五特征，即使由于挤气间隙在圆周方向上变化而导致从活塞的外周部向空腔流动的挤气流的大小在圆周方向上变化，由于在挤气流小的方向(即挤气间隙大的方向)第一碰撞角变小从而燃料流出至空腔的外部的倾向变弱，在挤气流大的方向(即挤气间隙小的方向)第二碰撞角变大从而燃料流出至空腔的外部的倾向变强，因此无论挤气流的大小如何都能够在空腔的整个区域使燃料和空气的混合状态均匀化。
并且，根据本发明的第六特征，以90°以上的第二碰撞角与空腔碰撞后的燃料被空腔的壁面引导并朝开口侧流动，因此燃料不会被较大的挤气流压回，能够在空腔内均匀地扩散。
并且，根据本发明的第七特征，当从配置在活塞中心轴上的燃料喷射器沿着多个燃料喷射轴朝凹进设置于顶面的高度在圆周方向上变化的活塞的中央部的空腔内喷射燃料时，由于设通过第n燃料喷射轴的空腔的截面为燃料喷射截面Sn，并将在该燃料喷射截面Sn上由第一～第三特定点An、Bn、Cn规定的空腔的截面形状设定为在各个燃料喷射截面Sn中大致相等，因此能够使各个燃料喷射截面Sn中的燃料和空气的混合状态均匀化并实现发动机的输出提高和排气中有害物质的减少。并且，由于活塞的顶面倾斜的部分处的空腔的开口边缘没有锐角化，因此在耐热应力的方面也具有优势。
并且，根据本发明的第八特征，由于燃料喷射器所喷射的燃料在活塞到达上止点以前与空腔碰撞，因此能够根据挤气流产生的时刻使燃料与空腔碰撞，能够利用挤气流有效地封入要流出至空腔的外部的燃料。
并且，根据本发明的第九特征，即使从空腔向活塞的外周部流动的逆挤气流的大小在圆周方向变化，由于在逆挤气流小的方向第一燃料喷射角变小从而燃料被喷射至空腔的较浅的位置，在逆挤气流大的方向第二燃料喷射角变大从而燃料被喷射至空腔的较深的位置，因此无论逆挤气流的大小如何都能够在空腔的整个区域使燃料和空气的混合状态均匀化。
并且，根据本发明的第十特征，即使由于挤气区域在圆周方向上变化而导致从空腔向活塞的外周部流动的逆挤气流的大小在圆周方向上变化，由于在逆挤气流小的方向(即挤气区域小的方向)第一燃料喷射角变小从而燃料被喷射至空腔的较浅的位置，在逆挤气流大的方向(即挤气区域大的方向)第二燃料喷射角变大从而燃料被喷射至空腔的较深的位置，因此无论逆挤气流的大小如何都能够在空腔的整个区域使燃料和空气的混合状态均匀化。
并且，根据本发明的第十一特征，即使由于挤气区域的宽度在圆周方向上变化而导致从空腔向活塞的外周部流动的逆挤气流的大小在圆周方向上变化，由于在逆挤气流小的方向(即挤气区域的宽度小的方向)第一燃料喷射角变小从而燃料被喷射至空腔的较浅的位置，在逆挤气流大的方向(即挤气区域的宽度大的方向)第二燃料喷射角变大从而燃料被喷射至空腔的较深的位置，因此无论逆挤气流的大小如何都能够在空腔的整个区域使燃料和空气的混合状态均匀化。
并且，根据本发明的第十二特征，即使由于挤气区域的棱线长度在圆周方向上变化而导致从空腔向活塞的外周部流动的逆挤气流的大小在圆周方向上变化，由于在逆挤气流小的方向(即挤气区域的棱线长度小的方向)第一燃料喷射角变小从而燃料被喷射至空腔的较浅的位置，在逆挤气流大的方向(即挤气区域的宽度大的方向)第二燃料喷射角变大从而燃料被喷射至空腔的较深的位置，因此无论逆挤气流的大小如何都能够在空腔的整个区域使燃料和空气的混合状态均匀化。
并且，根据本发明的第十三特征，即使由于挤气间隙在圆周方向上变化而导致从空腔向活塞的外周部流动的逆挤气流的大小在圆周方向上变化，由于在逆挤气流小的方向(即挤气间隙大的方向)第一燃料喷射角变小从而燃料被喷射至空腔的较浅的位置，在逆挤气流大的方向(即挤气间隙小的方向)第二燃料喷射角变大从而燃料被喷射至空腔的较深的位置，因此无论逆挤气流的大小如何都能够在空腔的整个区域使燃料和空气的混合状态均匀化。
并且，根据本发明的第十四特征，当从配置在活塞中心轴上的燃料喷射器沿着多个燃料喷射轴朝凹进设置于顶面的高度在圆周方向上变化的活塞的中央部的空腔内喷射燃料时，由于设通过第n燃料喷射轴的空腔的截面为燃料喷射截面Sn，并将在该燃料喷射截面Sn上由第一～第三特定点An、Bn、Cn规定的空腔的截面形状设定为在各个燃料喷射截面Sn中大致相等，因此能够使各个燃料喷射截面Sn中的燃料和空气的混合状态均匀化并实现发动机的输出提高和排气中有害物质的减少。并且，由于活塞的顶面倾斜的部分处的空腔的开口边缘没有锐角化，因此在耐热应力的方面也具有优势。
【附图说明】
图1是柴油机的主要部分纵剖视图。(第一实施例)
图2是沿着图1的2-2线的从箭头方向观察的图。(第一实施例)
图3是沿着图1的3-3线的从箭头方向观察的图。(第一实施例)
图4是活塞的上部立体图。(第一实施例)
图5是沿着图3的5-5线的剖视图。(第一实施例)
图6是沿着图3的6-6线的剖视图。(第一实施例)
图7是沿着图3的7-7线的剖视图。(第一实施例)
图8是示出当使燃料喷射轴的方向在圆周方向上变化时燃料喷射轴的左右各30°的范围的空腔容积的变化率的曲线图。(第一实施例)
图9是基于第一碰撞角、第二碰撞角的烟雾产生量的变化的图。(第一实施例)
图10是与上述图3对应的图。(第二实施例)
图11是沿着图10的11-11线的剖视图。(第二实施例)
图12是沿着图10的12-12线的剖视图。(第二实施例)
标号说明
13：活塞；23：燃料喷射器；25：空腔；25c：底壁部；C1：挤气(squish)间隙；C2：挤气间隙；Li1：第一燃料喷射轴；Li2：第二燃料喷射轴；SA：挤气区域；W1：挤气区域的宽度；W2：挤气区域的宽度；α1：第一碰撞角；α2：第二碰撞角；β1：第一燃料喷射角；β2：第二燃料喷射角
【具体实施方式】
以下，根据图1～图9对本发明的第一实施方式进行说明。
第一实施例
如图1～图3所示，燃料直喷型的柴油机具备以滑动自如的方式嵌合在气缸12中的活塞13，所述气缸12形成在气缸体11上，活塞13经由活塞销14和连杆15与未图示的曲轴连接。气缸盖16结合在气缸体11的上表面上，在气缸盖16的下表面上开有与活塞13的顶面对置的两个进气门孔17、17和两个排气门孔18、18，进气孔19与进气门孔17、17连通，排气孔20与排气门孔18、18连通。进气门孔17、17由进气门21、21开闭，排气门孔18、18由排气门22、22开闭。燃料喷射器23以位于活塞中心轴Lp上的方式设置，并且预热塞24以与燃料喷射器23邻接的方式设置。
从图1和图4可以看出，活塞13的顶面和与其对置的气缸盖16的下表面并不平坦而是倾斜成截面三角形的屋脊状，通过该形状，能够减小进气孔19和排气孔20的弯曲度并确保进气门孔17、17和排气门孔18、18的直径，从而能够提高进气效率和排气效率。
在活塞13的顶面上凹进设置有以活塞中心轴Lp为中心的空腔25。在空腔25的径向外侧形成有：一对倾斜面13b、13b，它们从顶部13a、13a朝进气侧和排气侧向下倾斜，所述顶部13a、13a与活塞销14平行地呈直线状地延伸；一对平坦面13c、13c，它们形成在倾斜面13b、13b的下端附近且与活塞中心轴Lp正交；以及一对切口部13d、13d，它们将顶部13a、13a的两端平坦地切口。
沿着活塞中心轴Lp配置的燃料喷射器23以活塞中心轴Lp上的虚拟点即燃料喷射点Oinj为中心朝在圆周方向上隔开60°的间隔的六个方向喷射燃料。从活塞中心轴Lp方向观察，六条燃料喷射轴中的两条第一燃料喷射轴Li1与活塞销14重合，其他四条第二燃料喷射轴Li2以60°的角度与活塞销14的方向交叉。并且，从与活塞中心轴Lp正交的方向观察，第一燃料喷射轴Li1、第二燃料喷射轴Li2斜着朝下倾斜，第一燃料喷射轴Li1朝下倾斜的程度较小、第二燃料喷射轴Li2朝下倾斜的角度较大(参照图6和图7)。
另外，燃料喷射器23实际上喷射燃料的喷射点从活塞中心轴Lp稍稍朝径向外侧偏移，所述燃料喷射点Oinj定义为所述第一燃料喷射轴Li1、第二燃料喷射轴Li2与活塞中心轴Lp交叉的点。
下面，参照图5～图7详细叙述空腔25的截面形状。图5是与活塞销14正交的方向的截面，图6是以60°与活塞销14交叉的方向的截面(包含第二燃料喷射轴Li2的截面)，图7是沿着活塞销14的方向的截面(包含第一燃料喷射轴Li1的截面)。
此处，重要的是图5～图7的截面都是通过燃料喷射点Oinj并与活塞13的顶面正交的方向的截面。图5的与活塞销14成直角的方向的截面和图7的沿着活塞销14的方向的截面的切断面都与活塞销13的顶面正交、并且包含活塞中心轴Lp。与此相对，图6的以60°与活塞销14交叉的方向的截面通过第二燃料喷射轴Li2、并且与活塞销13的顶面(即倾斜面13b、13b)正交，形成不包含活塞中心轴Lp的截面。即，在图3中，沿着5-5线的切断面和沿着7-7线的切断面与纸面正交，沿着6-6线的切断面不与纸面正交、而是与活塞13的倾斜面13b、13b正交。
本实施方式的一个特征在于，在通过燃料喷射点Oinj并与活塞13的顶面正交的任意截面中，空腔25的形状大致一致。空腔25的截面形状隔着燃料喷射点Oinj被分成左右两部分，这两部分在图7的沿着活塞销14的方向的截面中大致呈直线状地相连，但是，图5的与活塞销14成直角的方向的截面和图6的以60°与活塞销14交叉的方向的截面，根据活塞13的屋脊形状呈山形地相连。但是，空腔25的截面形状的主要部分、即图5～图7中填充底纹(綱かけ)表示的部分的形状完全一致。
从图5～图7可以看出，以活塞中心轴Lp为中心形成的空腔25由以下部分构成：周壁部25a，其从活塞13的顶面朝下呈直线状地延伸；曲壁部25b，从其周壁部25a的下端朝活塞中心轴Lp呈凹状地弯曲；底壁部25c，其从曲壁部25b的径向内端朝活塞中心轴Lp向斜上方呈直线状地延伸；以及顶部25d，其在活塞中心轴Lp上与底壁部25c的径向内端相连。
设从表示与腔体25对置的气缸盖16的下表面的线L-R1、L-R2朝下方离开距离Ha并平行地延伸的线为活塞顶面基本线L-a1、L-a2。同样，设从表示气缸盖16的下表面的线L-R1、L-R2朝下方离开距离Hbc并平行地延伸的线为腔体底面基本线L-bc1、L-bc2，设从表示气缸盖16的下表面的线L-R1、L-R2朝下方离开距离Hd并平行地延伸的线为腔体顶部基本线L-d1、L-d2。
设以燃料喷射点Oinj为中心且半径为Ra的圆弧与所述活塞顶面基本线L-a1、L-a2的交点为a1、a2。同样，设以燃料喷射点Oinj为中心且半径为Rb的圆弧与所述腔体底面基本线L-bc1、L-bc2的交点为b1、b2，设以燃料喷射点Oinj为中心且半径为Rc的圆弧与所述腔体底面基本线L-bc1、L-bc2的交点为c1、c2，设以燃料喷射点Oinj为中心且半径为Rd的圆弧与所述腔体顶部基本线L-d1、L-d2的交点为d1、d2。交点e1、e2是从所述交点d1、d2朝活塞顶面基本线L-a1、L-a2所做的垂线与该活塞顶面基本线L-a1、L-a2交叉的点。
空腔25的周壁部25a位于直线a1b1、a2b2上，空腔25的底壁部25c与直线c1d1、c2d2一致，空腔25的曲壁部25b平滑地连接直线a1b1与直线c1d1、直线a2b2与直线c2d2。
于是，空腔25的形状设定成：由交点a1、c1、d1、e1或者交点a2、c2、d2、e2确定的填充底纹的截面形状在通过燃料喷射点Oinj并与活塞13的顶面正交的任意截面中都相等。
所述交点a1、a2与本发明的第一特定点An对应，所述交点e1、e2与本发明的第二特定点Bn对应，所述交点d1、d2与本发明的第三特定点Cn对应。
对于图6和图7所示的通过第一燃料喷射轴Li1、第二燃料喷射轴Li2的截面，图7所示的沿着活塞销14的方向的截面(燃料喷射截面S1)中的填充底纹的部分与图6所示的以60°与活塞销14交叉的方向的截面(燃料喷射截面S2)中的填充底纹的部分形成相同形状。
在图7所示的沿着活塞销14的方向的截面中，设第一燃料喷射轴Li1与空腔25的壁面交叉的点为燃料碰撞点P1，在图6所示的以60°与活塞销14交叉的方向的截面中，设第二燃料喷射轴Li2与空腔25的壁面交叉的点为燃料碰撞点P2。两个燃料碰撞点P1、P2存在于填充底纹的相同形状的燃料喷射截面S1、S2上的不同位置。即，在相同形状的燃料喷射截面S1、S2上与燃料碰撞点P1对应的位置为P2’，但是实际的燃料喷射点P2存在于比P2’低的位置(腔体25的较深位置)。因此，第二碰撞角α2比第一碰撞角α1大，所述第一碰撞角α1是碰撞点P1处的空腔25的切线和第一燃料喷射轴Li1所成的角，所述第二碰撞角α2是燃料碰撞点P2处的空腔25的切线和第二燃料喷射轴Li2所成的角。虽然在实施方式中第一碰撞角α1、第二碰撞角α2均为90°以上，但第一碰撞角α1也可以不足90°，期望第二碰撞角α2在90°以上。
下面，对具备上述结构的本发明的第一实施方式的作用进行说明。
根据本实施方式，在通过燃料喷射点Oinj并与活塞13的顶面正交的任意截面中，除了燃料喷射点Oinj附近的极小的一部分(由交点e1、d1、d2、e2所包围的区域)之外，空腔25的截面形状都形成相同形状。特别地，由于即使是在包含第一燃料喷射轴Li1、第二燃料喷射轴Li2的两个截面(参照图6和图7)中空腔25的截面形状也形成为相同形状，因此能够使空腔25的各部分中的空气和燃料的混合状态在圆周方向上均匀化，从而能够改善混合气体的燃烧状态而实现发动机输出的增加和排气中有害物质的减少。
并且，即使是在图5和图6所示的活塞13的顶面倾斜的截面中，与图7所示的活塞13的顶面平坦的情况相比，空腔25的开口的边缘(交点a2的部分)所成的角度也不会变得锐角化，因此能够减轻该部分的热负荷、提高耐热性。
并且，在通过燃料喷射点Oinj的空腔25的截面中，对燃料和空气的混合造成较大的影响的截面并不是包含活塞中心轴Lp的截面，而是与活塞13的顶面正交的截面。这是因为，空腔25内的燃料微粒子在圆周方向的扩散发生在沿着活塞13的顶面的方向，与该扩散方向正交的截面就是与活塞13的顶面正交的截面。在本实施方式中，使空腔25的形状在通过燃料喷射点Oinj并与活塞13的顶面正交的任意截面中大致一致，能够使空腔25的各部分中的燃料和空气的混合状态更加均匀化。
并且，由于交点d1、d2位于空腔25的底壁部25c和顶部25d的边界，因此能够使交点d1、d2和交点e1、e2尽量接近活塞中心轴Lp，能够提高填充底纹的截面形状在各个燃料喷射截面Sn中所占的比率，能够将空腔25的圆周方向的各个截面中的燃料和空气的混合状态的偏差抑制在最小限度。
图8示出当使燃料喷射轴的方向以活塞销14的方向为基准(0°)绕活塞中心轴Lp在左右各60°的范围内移动时所述燃料喷射轴的左右各30°的范围内的空腔25的容积的变化率。实线与使通过燃料喷射点Oinj并与活塞13的顶面正交的任意截面中的空腔25的截面形状一致的本实施方式对应，虚线与现有例(上述专利文献1所记载的发明)对应。从该图可以看出，在现有例中容积的变化率超过20％，与此相对，在本实施方式中容积的变化率被抑制为不足10％。
另外，在本申请的发明中，在通过燃料喷射点Oinj并与活塞13的顶面正交的任意截面中使空腔25的形状大致一致，所谓空腔25的形状大致一致定义为允许如上所述的容积的变化率不足10％的稍许的形状变化、例如燃料喷射截面Sn通过活塞中心轴Lp的情况或者燃料喷射截面Sn从与活塞13的顶面正交的状态稍稍倾斜的情况。
然而，在压缩行程中，当活塞13接近上止点时，形成在活塞13的围绕空腔25的顶面和气缸盖16的下表面之间的环状的挤气区域SA(参照图5～图7)的容积减少，从而产生从挤气区域SA向空腔25朝径向内侧流动的挤气流。在本实施方式中，活塞13具备屋脊状的顶面，由此挤气流的大小在圆周方向上不均匀。
挤气流的大小受挤气区域SA的形状支配，在本实施方式中，在沿着活塞销14的方向的截面(参照图7)上挤气流最小，在与活塞销14正交的方向的截面(参照图5)上挤气流最大。因此包含第二燃料喷射轴Li2并以60°与活塞销14交叉的方向的截面(参照图6)上的挤气流比包含第一燃料喷射轴Li1并沿着活塞销14的截面(参照图7)上的挤气流大。
其原因在于，从图3可以看出，从活塞中心线Lp方向观察，空腔25的形状形成为长轴与活塞销14的方向一致的椭圆形状，因此在沿着活塞销14的方向的截面上挤气区域SA的宽度W1变小，在以60°与活塞销14交叉的方向的截面上挤气区域SA的宽度W2变大。
这样，挤气流的大小基本上依赖于挤气区域SA的径向的宽度W1、W2，但是同样也可以说依赖于挤气区域SA的径向的棱线长度。所谓挤气区域SA的径向的棱线长度是指沿着以截面表示的挤气区域SA弯曲的折线的长度，该棱线长度越小挤气流越小，该棱线长度越大挤气流越大。
进一步，挤气流的大小还依赖于活塞13的上止点处的挤气区域SA的厚度即挤气间隙，挤气间隙小则挤气流大，挤气间隙大则挤气流小。在本实施方式中，在沿着活塞销14的方向的截面(参照图7)上挤气间隙C1大因此挤气流小，在以60°与活塞销14交叉的方向的截面(参照图6)上挤气间隙C2小因此挤气流大。
如以上所说明了的那样，根据挤气区域SA的形状，如果挤气流的大小在圆周方向上不均匀，则即使燃料喷射器23朝空腔25的内部均匀地喷射燃料，在挤气流大的部分燃料被封入空腔25的底部而未均匀地扩散，相反在挤气流小的部分燃料流出至空腔25的外部，虽然在通过燃料喷射点Oinj并与活塞13的顶面正交的任意截面中将空腔25的截面形状形成为相同形状，却未充分地发挥该优点，存在混合气体的燃烧状态恶化、排气中有害物质增加、产生烟雾的可能性。
然而，根据本实施方式，由于挤气流小的截面、即包含第一燃料喷射轴Li1且沿着活塞销14的截面(参照图7)中的第一碰撞角α1小(接近直角)，因此与空腔25碰撞后的燃料在空腔25的壁面上被弹回，沿着空腔25的壁面朝开口侧上升的倾向变弱。因此，即使挤气流小，也能够阻止燃料从空腔25的开口流出至外部，能够使燃料在空腔25的内部均匀地扩散。
并且，由于挤气流大的截面、即包含第二燃料喷射轴Li2且以60°与活塞销14交叉的方向的截面(参照图6)中的第二碰撞角α2大(钝角)，因此与空腔25碰撞后的燃料不在空腔25的壁面上被弹回，而沿着空腔25的壁面朝开口侧上升的倾向变强。因此，即使挤气流大，也能够阻止燃料从空腔25的开口流出至外部，能够使燃料在空腔25的内部均匀地扩散。
如上所述，通过使第一燃料喷射轴Li1、第二燃料喷射轴Li2与空腔25的壁面交叉的燃料碰撞点P1、P2处的第一碰撞角α1、第二碰撞角α2不同，能够使与空腔25碰撞后的燃料沿着空腔25的壁面朝开口侧上升的倾向和挤气流将燃料封入空腔25内的倾向相抵，能够在空腔25内的整个区域中使燃料均匀地扩散、防止其朝外部流出，能够改善混合气体的燃烧状态、抑制排气中有害物质或烟雾的产生。
图9是示出基于第一碰撞角α1、第二碰撞角α2的烟雾的产生量的变化的图，横轴表示第一碰撞角α1，纵轴表示第二碰撞角α2，颜色浓的部分表示烟雾的产生量多。通过原点并朝右上方延伸的直线A对应于第一碰撞角α1＝第二碰撞角α2，可以看出，在该直线A上侧的区域、即第二碰撞角α2＞第一碰撞角α1的区域中烟雾的产生减少。并且，直线B对应于第二碰撞角α2＝90°，可以看出，在所述直线A上侧的区域且在所述直线B的上侧的区域、即第二碰撞角α2＞第一碰撞角α1且第二碰撞角α2≥90°的区域中烟雾的产生特别显著地减少。
另外，由于挤气流在活塞13到达压缩行程的上止点以前产生，因此期望燃料喷射器23喷射的燃料与空腔25碰撞的时刻在活塞13到达上止点以前。在一次循环中进行多次燃料喷射的发动机中，将喷射最大量的燃料的主喷射的燃料与空腔碰撞的时刻设定在活塞到达上止点以前即可。
下面，根据图10～图12对本发明的第二实施方式进行说明。
第二实施例
在图12所示的沿着活塞销14的方向的截面中，设第一燃料喷射轴Li1与空腔25的壁面交叉的点为燃料碰撞点P1，在图11所示的以60°与活塞销14交叉的方向的截面中，设第二燃料喷射轴Li2与空腔25的壁面交叉的点为燃料碰撞点P2。两个燃料碰撞点P1、P2存在于填充底纹的相同形状的燃料喷射截面S1、S2上的不同的位置。即，在相同形状的燃料喷射截面S1、S2上，与燃料碰撞点P1对应的位置为P2’，实际的燃料碰撞点P2存在于比P2’低的位置(空腔25的较深位置)。因此，第一燃料喷射角β1比第二燃料喷射角β2大，所述第一燃料喷射角β1是第一燃料喷射轴Li1相对于连结燃料喷射点Oinj和规定空腔25的开口端的第一特定点An的直线所成的角，所述第二燃料喷射角β2是第二燃料喷射轴Li2相对于连结燃料喷射点Oinj和规定空腔25的开口端的第一特定点An的直线所成的角。换言之，在图12所示的活塞销14方向上第一燃料喷射轴Li1指向空腔25的较浅的位置(接近开口端的位置)，在图11所示的以60°与活塞销14交叉的方向上第二燃料喷射轴Li2指向空腔25的较深的位置(接近底壁的位置)。
下面，对具备上述结构的本发明的第二实施方式的作用进行说明。
在压缩行程中，当活塞13接近上止点时，形成在活塞13的包围空腔25的顶面和气缸盖16的下表面之间的环状的挤气区域SA(参照图11和图12)的容积减小，由此产生从挤气区域SA向空腔25朝径向内侧流动的挤气流。并且，当活塞13开始从上止点下降时，挤气区域SA的容积增加，由此产生从空腔25向挤气区域SA朝径向外侧流动的逆挤气流。在活塞13的圆周方向的各个位置，挤气流和逆挤气流方向相反且大小大致相同，但是，在本实施方式中，活塞13具备屋脊状的顶面，因此挤气流和逆挤气流的大小在圆周方向上不均匀。
逆挤气流的大小受挤气区域SA的形状的支配，在本实施方式中，在沿着活塞销14的方向的截面(参照图12)上逆挤气流最小，在与活塞销14正交的方向的截面(参照图5)上逆挤气流最大。因此包含第二燃料喷射轴Li2且以60°与活塞销14交叉的方向的截面(参照图11)上的逆挤气流比包含第一燃料喷射轴Li1且沿着活塞14的截面(参照图12)上的逆挤气流大。
其原因在于，从图10可以看出，从活塞中心线Lp方向观察，空腔25的形状形成为长轴与活塞销14的方向一致的椭圆形状，在沿着活塞销14的方向的截面上挤气区域SA的宽度W1较小，在以60°与活塞销14交叉的方向的截面上挤气区域SA的宽度W2较大。
这样，逆挤气流的大小基本上依赖于挤气区域SA的径向的宽度W1、W2，但是也可以说是依赖于挤气区域SA的径向的棱线长度。所谓挤气区域SA的径向的棱线长度是指沿着以截面表示的挤气区域SA弯曲的折线的长度，该棱线长度越小逆挤气流越小，该棱线长度越大逆挤气流越大。
进一步，逆挤气流的大小也依赖于活塞13的上止点处的挤气区域SA的厚度即挤气间隙，挤气间隙小则逆挤气流大，挤气间隙大则逆挤气流小。在本实施方式中，在沿着活塞销14的方向的截面(参照图12)中挤气间隙C1大因而逆挤气流小，在以60°与活塞销14交叉的方向的截面(参照图11)中挤气间隙C2小因而逆挤气流大。
如以上所说明了的那样，根据挤气区域SA的形状，如果逆挤气流的大小在圆周方向上不均匀，则即使燃料喷射器23朝空腔25的内部均匀地喷射燃料，在逆挤气流大的部分燃料被从空腔25的开口端吸出，相反在逆挤气流小的部分燃料滞留在空腔25的底部，虽然在通过燃料喷射点Oinj并与活塞13的顶面正交的任意截面中将空腔25的截面形状形成为相同形状，却未充分地发挥该优点，存在混合气体的燃烧状态恶化、排气中有害物质增加、产生烟雾的可能性。
然而，根据本实施方式，由于在逆挤气流小的截面、即包含第一燃料喷射轴Li1且沿着活塞销14的截面(参照图12)中，即使缩小第一燃料喷射角β1将燃料喷射至空腔25的较浅的位置，由于逆挤气流小因此燃料不会流出至空腔25的外部，能够使燃料在空腔25的内部均匀地扩散。
并且，在逆挤气流大的截面、即包含第二燃料喷射轴Li2且以60°与活塞销14交叉的方向的截面(参照图11)中，即使增大第二燃料喷射角β2将燃料喷射至空腔25的较深的位置，由于逆挤气流大，因此燃料不会滞留在空腔25的底部，能够使燃料在空腔25的内部均匀地扩散。
如上所述，通过使第一燃料喷射角β1与第二燃料喷射角β2不同，能够使喷射的燃料滞留在空腔25的底部的倾向和逆挤气流将燃料从空腔25吸出的倾向相抵，能够在空腔25内的整个区域中使燃料均匀地扩散、防止其朝外部流出，能够改善混合气体的燃烧状态、抑制排气中有害物质或烟雾的产生。
以上对本发明的实施方式进行了说明，但是本发明在不脱离其主旨的范围内能够进行各种设计变更。
例如，实施方式的空腔25在通过燃料喷射点Oinj并与活塞13的顶面正交的任意截面中截面形状形成为相同形状，但是本发明也能够应用于所述截面形状未形成为相同形状的发动机。
并且，在实施方式中燃料喷射器23朝以60°的间隔离开的六个方向喷射燃料，但是燃料的喷射方向并不限定于六个方向。
并且，在实施方式中对燃料直喷柴油机进行了说明，但是本发明也能够应用于柴油机以外的燃料直喷发动机。