用于車輛的燃燒系統的制作方法

專利名稱：用于車輛的燃燒系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種用于車輛的燃燒系統，特別涉及減少廢氣中的顆 粒物質和氮氧化合物(NOx)的用于車輛的燃燒系統。
背景技術：
通常，柴油發動機的廢氣包括顆粒物質和氮氧化合物。但是，顆 粒物質的主要成分，即煤煙(soot)，在高溫氧化狀態下可以被減少， 而氮氧化合物主要產生于高溫區中。
將廢氣再循環到燃燒室內的廢氣再循環(EGR)系統用于消除氮 氧化合物。
即當燃燒室內的廢氣濃度變高時，燃燒溫度降低以減少氮氧化合 物。但是，當廢氣的再循環增加時，有氧氣濃度降低從而增多了顆粒 物質的問題。
為了解決上述問題，己經研究了廢氣分層技術。即當在燃燒室內 使再循環的廢氣分層時，在燃燒室的廢氣密集區內氮氧化合物減少， 而產生于廢氣密集區的煤煙在氧氣密集區內被氧化，從而可以同時減 小互相制約的兩種有害的廢氣材料。
通常，當在活塞中形成一個燃燒槽時，在由第一進氣端口供給 100%的空氣且從第二進氣端口供給60%的再循環廢氣的情況下，再循 環廢氣的濃度最大為34.7%，最小為28.9%，因此濃度的差異很小。
相應地，有難以實現再循環廢氣的分層的問題。再循環廢氣難以 分層的原因是壓縮沖程的最后階段的壓縮氣流促使在壓縮沖程的初始 階段被分離的再循環廢氣的密集區和氧氣密集區混合。此外，傳統的分層技術從燃燒室的中部朝燃燒室的邊緣使廢氣濃 度分層，因此中部的氣體被點火前從中部噴射到邊緣的燃料混合到邊 緣部分，從而降低了分層效率。
背景技術：
部分公開的信息只用于增強對本發明的一般背景技術的 理解，其不表示或以任何方式暗示該信息構成本領域技術人員已知的
現有技術。 1

發明內容
本發明的各個方面用于提供一種用于車輛的燃燒系統，其優點是 使再循環廢氣分層從而減少氮氧化合物和顆粒物質。
根據本發明的一方面，用于車輛的燃燒系統可以包括活塞，其中 在活塞的上端面中形成第一燃燒凹陷，在第一燃燒凹陷的底面處進一
步形成至少一個第二燃燒凹陷；用于向氣缸供給空氣的第一進氣端口 和第二進氣端口；以及控制器，其不同地控制供給到第一進氣端口和 第二進氣端口的再循環廢氣的量。 '
可以控制EGR閥的打開/關閉從而在進氣閥被打開時在部分周期 內再循環廢氣被供給到第一進氣端口或第二進氣端口 ，其中在確定周 期內供給再循環廢氣直到進氣閥被關閉。
第二燃燒凹陷的直徑可以小于第一燃燒凹陷的直徑，以形成階梯 形狀。
可以在第一燃燒凹陷和第二燃燒凹陷之間的邊界上形成傾斜部 分，其中當傾斜部分延伸到活塞的中部時，傾斜部分朝活塞的上端面 以預定角度延伸，且其中第一燃燒凹陷的邊緣側表面低于傾斜部分的 頂面。
最末端的第二燃燒凹陷(last second combustion recess)的底面可 以形成為平的。
可以在該最末端的第二燃燒凹陷的底面中形成傾斜的中部，當傾 斜的中部延伸到活塞的中部時，該傾斜的中部變得更接近活塞的上端 面。
第一燃燒凹陷可以具有距離活塞的上端面的第一深度，第二燃燒 凹陷具有比距離活塞的上端面的第一深度深的第二深度，其中在第一燃燒凹陷和第二燃燒凹陷中的一側中形成廢氣密集部分，在第一燃燒 凹陷和第二燃燒凹陷中的另 一側中形成氧氣密集部分，從而在徑向和 上/下方向中同時獲得廢氣的分層，且其中燃料被噴射到廢氣密集部分 從而燃料的燃燒可以在廢氣密集部分中開始，且其中氧氣密集部分的 氧氣在燃燒區內被混合以氧化并消除其中的煤煙。
通過第一進氣端口供給的再循環廢氣的量可以小于通過第二進氣 端口供給的再循環廢氣的量。
再循環廢氣可以不供給到第一和第二進氣端口中的一個，而供給 到其中的另一個。
根據本發明的另一個示例性實施例，用于車輛的燃燒系統可以包 括活塞，其位于氣缸中以執行進氣、壓縮、做功和排氣沖程，且其中 在活塞的上端面中形成第一燃燒凹陷，在第一燃燒凹陷的底面處進一 步形成至少一個第二燃燒凹陷；連接到氣缸的第一進氣口的第一進氣 端口和連接到氣缸的第二進氣口的第二進氣端口；以及控制盔，其向
第一進氣端口和第二進氣端口中的至少一個進氣端口供給再循環廢 氣，并不同地控制通過第一和第二進氣端口被供給的再循環廢氣的量 以在第一燃燒凹陷和第二燃燒凹陷之間使廢氣分層。 1
根據本發明的各個方面，在壓縮沖程的最后階段，廢氣密集部分 可以形成在活塞的上部的第一燃燒凹陷中，氧氣密集部分可以形成在 第二燃燒凹陷中，同時燃料被噴射到第一燃燒凹陷以在廢氣密集部分 中開始點火，從而可以減少氮氧化合物。
此外，點火正時可以被高密度的再循環廢氣延遲，從而促進燃料
和空氣的混合且在燃燒環境中當量比變為在2以下，從而煤煙的產生 被抑制。
第二燃燒凹陷中的氧氣可以通過膨脹沖程中的反壓流動 (converse-squish flow)流入第一燃燒凹陷中，且煤煙可以被氧氣氧化 從而被消除。
此外，在再循環廢氣相對較低的條件下，可以部分地獲得高密度 的再循環廢氣，且可以獲得低于1600K的低溫燃燒以減少氮氧化合物 和煤煙，且該廢氣再循環技術可以應用到再循環技術難以應用的高負 載條件中。通過納入本文的附圖以及隨后與附圖一起用于說明本發明的某些 原理的具體實施方式
，本發明的方法和裝置所具有的其它特征和優點 將更為具體地變得清楚或得以闡明。


圖1是根據本發明的示例性車輛燃燒系統的局部俯視平面圖。
圖2是根據本發明的示例性車輛燃燒系統的示意性側視圖。
圖3 (A)和(B)是根據本發明的示例性車輛燃燒系統的活塞的 局部剖面側視圖。
圖4 (A)到(D)是顯示根據本發明的示例性車輛燃燒系統的壓 縮沖程中的流動的剖面側視圖。
圖5是顯示根據本發明的示例性車輛燃燒系統中的吸氣狀態的剖 面側視圖。
圖6 (A)到(C)是顯示根據本發明的示例性車輛燃燒系統中再
循環廢氣被吸入的狀態的圖表。
圖7是顯示根據本發明的示例性車輛燃燒系統的過程的流程圖。 圖8是顯示根據本發明的示例性車輛燃燒系統的試驗數據和結果
的圖表。
應理解，附圖不是嚴格按比例繪制，其顯示說明本發明的基本原 理的各個特征的某種簡化表示。在此公開的本發明的特定設計特征， 包括例如特定的尺寸、方向、位置、以及形狀將部分地由特別計劃的 應用和使用環境所確定。
- 圖中，附圖標記在附圖的幾幅圖片中指代本發明的相同或等效的 部件。
具體實施例方式
現在，將詳細參考本發明的不同實施例，其實例顯示在附圖和以 下描述中。雖然將結合示例性的實施例描述本發明，但應當理解該描 述并非要把本發明限制于該示例性的實施例。相反，本發明將不僅覆 蓋該示例性的實施例，而且還覆蓋各種替換的、改變的、等效的和其 他實施例，其可包含在所附權利要求所限定的本發明的精神和范圍內。圖1是根據本發明的各個實施例的車輛燃燒系統的局部俯視平面圖。
參考圖1，柴油燃燒系統包括氣缸100、第一進氣端口 105、第二 進氣端口110、和排氣管115。在此情況下，第一進氣端口105可以被 稱為螺旋端口，第二進氣端口 IIO可以被稱為正切端口。
在本發明的各個實施例中，第一進氣端口 105連接到第一進氣口， 第二進氣端口 UO連接到第二進氣口，排氣管115連接到氣缸的排氣 端口。 '
通過排氣管115被排出的廢氣的一部分通過第一進氣端口 105和 第二進氣端口 IIO再循環。
在本發明的各個實施例中，少量的廢氣被再循環到第一進氣端口 105，大量的廢氣被再循環到第二進氣端口 110。相應地，氣缸100內 的再循環廢氣被分層從而同時減少顆粒物質和氮氧化合物。
根據本發明的各個實施例，控制器控制控制閥從而向第一進氣端 口 105和第二進氣端口 IIO供給再循環廢氣，并不同地控制通過第一 和第二進氣端口供給的再循環廢氣的量，從而使廢氣的濃度分層。
圖2是根據本發明的各個實施例的車輛燃燒系統的示意性側視圖。
參考圖2，根據第一流動255,通過第一進氣端口 105流入的廢氣 移動到氣缸IOO的較低部分，且根據第二流動250，通過第二進氣端口 110流入的廢氣移動到氣缸100的較高部分和中間部分。
與現有技術的活塞相比，當使用兩步驟活塞時，在壓縮沖程過程 中，流入第一進氣端口的廢氣移動到氣缸的較低部分，流入第二進氣 端口的廢氣移動到氣缸的較高部分，從而增大了廢氣的分層。
如上所述，在進氣沖程中，通過向第一進氣端口 105和^二進氣 端口 IIO噴射不同數量的廢氣，可以在氣缸100內獲得廢氣A分層。
參考圖2，活塞200位于氣缸100的燃燒室內，第一燃燒槽或凹陷 210和第二燃燒槽或凹陷215形成在活塞200上。參考圖3詳細描述第 一燃燒槽或凹陷210和第二燃燒槽或凹陷215的結構。
此外，根據本發明的各個實施例的控制器不同地控制通過第一進 氣端口和第二進氣端口供給的再循環廢氣的量，從而在第一燃燒凹陷 210和第二燃燒凹陷215處使廢氣的濃度分層。圖3是根據本發明的各個實施例的車輛燃燒系統的活塞的局部剖 面側視圖。
參考圖3 (A)，燃燒凹陷形成在活塞200a的上端部中，燃燒凹陷 包括第一燃燒凹陷210和第二燃燒凹陷215。
第一燃燒凹陷210形成在活塞200a的上端面上的槽或凹陷結構 中，第二燃燒凹陷215形成在第一燃燒凹陷210的底面上。相應地， 根據本發明的各個實施例，第一燃燒凹陷210和第二燃燒凹陷215具 有卩介梯結t勾(terraced structure)。
在本發明的各個實施例中，中部朝活塞200a的上側突出的第一傾 斜表面部分300形成在第二燃燒凹陷215的底面上。如圖3 (A)所示， 理想地，第一燃燒凹陷210的第一直徑Ll大于第二燃燒凹陷215的第 二直徑L2。
在本發明的其他實施例中，參考圖3 (B),第一燃燒凹，210和 第二燃燒凹陷215形成在活塞200b的上端部中，且第二燃燒凹陷215 的底面是平的。 t
如圖3 (B)所示，理想地，第一燃燒凹陷210的第一直徑L1大 于第二燃燒凹陷215的第二直徑L2。此外，當比較第一燃燒凹陷210 和第二燃燒凹陷215距離活塞的上端面的深度時，第一燃燒凹陷210 具有第一深度D1，以及第二燃燒凹陷215具有第二深度D2，理想地， 第二深度D2大于第一深度Dl 。
如圖3 (B)所示，第二傾斜表面部分305形成在位于第一燃燒凹 陷210和第二燃燒凹陷215之間的邊界上，且配置為高于第一燃燒凹 陷210的邊緣側表面310，邊緣側表面310在活塞200b的外圓周方向 中具有彎曲的線結構凹部。
參考圖3，理想地，燃料從氣缸100的上端中部噴射到第一燃燒凹 陷210。
圖4是顯示根據本發明的各個實施例的車輛燃燒系統的壓縮沖程 中的流動的剖面側視圖。 '
參考圖4(A)，在壓縮沖程的初始階段，當活塞200在上/下方向 中運動時，在燃燒室的上部中形成廢氣密集部分400，在燃燒室的下部 中形成氧氣密集部分422，且廢氣密集部分400的一部分隨著由壓縮沖
10程產生的第一流動405而運動。
參考圖4 (B)，隨著活塞200的升高，廢氣密集部分400的一部 分通過第二流動410流入活塞200的第一燃燒凹陷210中。
參考圖4 (C)，隨著活塞200的進一步升高，廢氣密集部分400 的大部分通過第三流動415流入第一燃燒凹陷215的上部中，廢氣密 集部分400形成在第一燃燒凹陷210中。此時，第一燃燒凹陷的氧氣 密集區通過第四流動420流入第二燃燒凹陷中，以形成氧氣裙集部分。
通過以上過程，在壓縮沖程的最后階段，再循環廢氣在徑向和上/ 下方向中被分層。燃料被噴射到第一燃燒凹陷中且在廢氣密集部分中 開始燃燒，相應地，燃燒溫度被降低且氮氧化合物的產生被抑制。此 外，廢氣密集部分中的點火被延遲從而降低了當量比(equivalence ratio),以抑制煤煙的產生。
參考圖4 (D)，在燃料噴射后的做功沖程中，包括第二燃燒凹陷 215的氧氣的氣體通過第五流動425運動到第一燃燒凹陷。在第一燃燒 凹陷中產生的煤煙被氧氣氧化，從而降低了煤煙的產生。
在本發明的各個實施例中，再循環廢氣在氣缸100的徑向和上/下 方向中被分層，理想地，柴油燃料直接噴射到第一燃燒凹陷210中， 在此廢氣的濃度相對較高。
此外，上述的氣缸結構和廢氣供給方法可以應用到一般的汽油進 氣系統或汽油直噴系統中。
圖5是顯示根據本發明的各個實施例的車輛燃燒系統中的吸氣狀 態的剖面側視圖。
參考圖5，在氣缸100內，再循環廢氣的最大濃度是45%，最小濃 度是23.5%，因此其差異是21.5%。
如上所述，再循環廢氣被不同地供給到第一進氣端口 105和第二 進氣端口 110，且活塞200具有兩步驟燃燒凹陷210和215，從而在燃 燒室內有效地獲得了廢氣的分層。
圖6是顯示根據本發明的各個實施例的車輛燃燒系統中:再循環廢 氣被吸入的狀態的圖表。
參考圖6 (A)， "IVO"表示當進氣閥被打開的時刻，"IVC"表示當 進氣閥被關閉的時刻。此外，在預定周期內供給再循環廢氣直到進氣閥被關閉。
相應地，在燃燒室內安全地獲得了廢氣的分層。
參考圖6 (B)，在中段供給廢氣。此外，參考圖6 (C)，從進氣閥 被打開的點開始在確定周期內供給廢氣，并在進氣閥被關閉之前在確 定周期內供給廢氣。
如上所述，當空氣流入燃燒室內時，只在預定周期內供給廢氣， 以增強廢氣的分層并根據駕駛條件來控制分層速度和分層位置。
在本發明的各個實施例中，可以通過廢氣控制閥和控制該閥的打 開/關閉狀態的控制器來控制預定周期，從而再循環廢氣。
圖7是顯示根據本發明的各個實施例的車輛燃燒系統的扭程的流程圖。
參考圖7，需要低燃燒溫度和充足的氧氣，以同時減少氮氧化合物 和煤煙。
此外，當燃料直接噴射的區域內的再循環廢氣的濃度較高時，燃 燒溫度被降低，因此氮氧化合物被減少。 ，
此外，當燃料噴射的區域內的再循環廢氣的濃度較高時，點火被 延遲，因此煤煙被下端部分的氧氣氧化，從而被消除。
如上所述，通過本發明的各個實施例中的分層再循環廢氣，同時 減少了氮氧化合物和煤煙。
圖8是顯示根據本發明的各個實施例的車輛燃燒系統的試驗數據 和結果的圖表。
參考圖8，試驗結果顯示，當與基本進氣狀態相比獲得了分層時， 氮氧化合物和煤煙減少，且三維分析結果也顯示，氮氧化合物和煤煙 減少。特別地，煤煙的減少量高于50%，且煤煙的減少率高于氮氧化 合物的減少率。
更詳細地說，在基本進氣狀態下，具有30%的再循環廢氣量的氣 體被均勻地供給到所有進氣端口，在分層狀態下，具有60%的再循環 廢氣的氣體被供給到第二進氣端口，且具有0%的再循環廢氣的空氣被 供給到第一進氣端口，試驗結果以三維CFD方法顯示了單柴油發動機 中的氮氧化合物和顆粒物質(例如煤煙)的生成速度。
當應用如上所述的廢氣分層技術時，與基本進氣條件相比，試驗結果中廢氣中減少了 5.3%的氮氧化合物和56.4%的顆粒物質，在分析 結果中，減少了 11%的氮氧化合物和81.7%的顆粒物質。 '
為了在所附的權利要求中解釋方便和準確定義，參考圖中所示的 特征的位置使用術語"上"和"下"來描述示范性實施例中的這些特征。
前面對本發明的具體示范性實施例所呈現的描述是出于說明和描 述的目。其不是窮盡性的，也不用于將本發明限制到所公開的特定形 式，顯然，根據上述教示，各種修改和變化都是可能的。為了解釋本 發明的特定原理及其實際應用而選擇和描述了示范性實施例，從而使 本領域的其他技術人員可以實施并利用本發明的不同示范性實施例， 及其各種改變和變化。本發明的范圍將由所附的權利要求及其等效范 圍所限定。
權利要求
1、一種用于車輛的燃燒系統，包括活塞，其中在所述活塞的上端面中形成第一燃燒凹陷，在所述第一燃燒凹陷的底面中形成至少一個第二燃燒凹陷；用于向氣缸供給空氣的第一進氣端口和第二進氣端口；以及控制器，其分別控制供給到所述第一進氣端口和所述第二進氣端口的再循環廢氣的量。
2、 如權利要求1所述的用于車輛的燃燒系統，其中控制廢氣再循 環閥的打開/關閉、從而在所述進氣閥被打開時在部分周期內將所述再 循環廢氣供給到所述第一進氣端口或所述第二進氣端口。
3、 如權利要求2所述的用于車輛的燃燒系統，其中在確定周期內 供給所述再循環廢氣直到所述進氣閥被關閉。
4、 如權利要求1所述的用于車輛的燃燒系統，其中所述第二燃燒 凹陷的直徑小于所述第一燃燒凹陷的直徑，以形成階梯形狀。
5、 如權利要求1所述的用于車輛的燃燒系統，其中在所述第一燃 燒凹陷和所述第二燃燒凹陷之間的邊界上形成傾斜部分。
6、 如權利要求5所述的用于車輛的燃燒系統，其中當所述傾斜部 分延伸到所述活塞的中部時，所述傾斜部分朝所述活塞的上端面以預 定角度延伸。
7、 如權利要求6所述的用于車輛的燃燒系統，其中所述第一燃燒 凹陷的邊緣側表面低于所述傾斜部分的頂面。
8、 如權利要求1所述的用于車輛的燃燒系統，其中最末端的第二 燃燒凹陷的底面形成為平的。
9、 如權利要求4所述的用于車輛的燃燒系統，其中在所述最末端 的第二燃燒凹陷的底面中形成傾斜的中部，當所述傾斜的中部延伸到 所述活塞的中部時，所述傾斜的中部變得更接近所述活塞的上端面。
10、 如權利要求1所述的用于車輛的燃燒系統，其中所述第一燃燒凹陷具有距離所述活塞的上端面的第一深度，所述第二燃燒凹陷具 有距離所述活塞的上端面的比所述第一深度深的第二深度。
11、 如權利要求10所述的用于車輛的燃燒系統，其中在所述第一燃燒凹陷和所述第二燃燒凹陷中的一側中形成廢氣密集部分，在所述 第一燃燒凹陷和所述第二燃燒凹陷中的另 一側中形成氧氣密集部分， 從而在徑向和上/下方向中同時獲得廢氣的分層。
12、 如權利要求ll所述的用于車輛的燃燒系統，其中燃料被噴射 到所述廢氣密集部分從而燃料的燃燒可以在所述廢氣密集部分中開 始。
13、 如權利要求12所述的用于車輛的燃燒系統，其中所述氧氣密 集部分的氧氣在燃燒區內被混合以氧化并消除其中的煤煙。
14、 如權利要求1所述的用于車輛的燃燒系統，其中通過所述第 一進氣端口供給的再循環廢氣的量小于通過所述第二進氣端口供給的 再循環廢氣的量。
15、 如權利要求1所述的用于車輛的燃燒系統，其中所述再循環 廢氣不供給到所述第一和第二進氣端口中的一個，但是供給到其中的 另一個。
16、 一種用于車輛的燃燒系統，包括活塞，其位于氣缸中以執行進氣、壓縮、做功和排氣沖，呈，且其 中在所述活塞的上端面中形成第一燃燒凹陷，在所述第一燃燒凹陷的 底面處進一步形成至少一個第二燃燒凹陷；連接到所述氣缸的第一進氣口的第一進氣端口和連接到所述氣缸 的第二進氣口的第二進氣端口；以及控制器，其向所述第一進氣端口和所述第二進氣端口中的至少一個進氣端口供給再循環廢氣，并不同地控制通過所述第一進氣端口和 第二進氣端口被供給的再循環廢氣的量以在所述第一燃燒凹陷和所述 第二燃燒凹陷之間使廢氣分層。
全文摘要
本發明涉及一種用于車輛的燃燒系統，可以包括活塞，其中在所述活塞的上端面中形成第一燃燒凹陷，在所述第一燃燒凹陷的底部進一步形成至少一個第二燃燒凹陷；用于向氣缸供給空氣的第一進氣端口和第二進氣端口；以及控制器，其不同地控制供給到所述第一進氣端口和所述第二進氣端口的再循環廢氣的量。
文檔編號F02B23/00GK101672214SQ20091015778
公開日2010年3月17日 申請日期2009年7月27日 優先權日2008年9月12日
發明者崔丞穆, 曹誠煥, 李暻嬛, 金壯憲, 閔庚德, 韓榕澤 申請人:現代自動車株式會社;首爾大學校產學協力團