用于车辆的燃烧系统.pdf

本发明涉及一种用于车辆的燃烧系统，可以包括活塞，其中在所述活塞的上端面中形成第一燃烧凹陷，在所述第一燃烧凹陷的底部进一步形成至少一个第二燃烧凹陷；用于向气缸供给空气的第一进气端口和第二进气端口；以及控制器，其不同地控制供给到所述第一进气端口和所述第二进气端口的再循环废气的量。

1、  一种用于车辆的燃烧系统，包括：
活塞，其中在所述活塞的上端面中形成第一燃烧凹陷，在所述第一燃烧凹陷的底面中形成至少一个第二燃烧凹陷；
用于向气缸供给空气的第一进气端口和第二进气端口；以及
控制器，其分别控制供给到所述第一进气端口和所述第二进气端口的再循环废气的量。

2、  如权利要求1所述的用于车辆的燃烧系统，其中控制废气再循环阀的打开/关闭、从而在所述进气阀被打开时在部分周期内将所述再循环废气供给到所述第一进气端口或所述第二进气端口。

3、  如权利要求2所述的用于车辆的燃烧系统，其中在确定周期内供给所述再循环废气直到所述进气阀被关闭。

4、  如权利要求1所述的用于车辆的燃烧系统，其中所述第二燃烧凹陷的直径小于所述第一燃烧凹陷的直径，以形成阶梯形状。

5、  如权利要求1所述的用于车辆的燃烧系统，其中在所述第一燃烧凹陷和所述第二燃烧凹陷之间的边界上形成倾斜部分。

6、  如权利要求5所述的用于车辆的燃烧系统，其中当所述倾斜部分延伸到所述活塞的中部时，所述倾斜部分朝所述活塞的上端面以预定角度延伸。

7、  如权利要求6所述的用于车辆的燃烧系统，其中所述第一燃烧凹陷的边缘侧表面低于所述倾斜部分的顶面。

8、  如权利要求1所述的用于车辆的燃烧系统，其中最末端的第二燃烧凹陷的底面形成为平的。

9、  如权利要求4所述的用于车辆的燃烧系统，其中在所述最末端的第二燃烧凹陷的底面中形成倾斜的中部，当所述倾斜的中部延伸到所述活塞的中部时，所述倾斜的中部变得更接近所述活塞的上端面。

10、  如权利要求1所述的用于车辆的燃烧系统，其中所述第一燃烧凹陷具有距离所述活塞的上端面的第一深度，所述第二燃烧凹陷具有距离所述活塞的上端面的比所述第一深度深的第二深度。

11、  如权利要求10所述的用于车辆的燃烧系统，其中在所述第一燃烧凹陷和所述第二燃烧凹陷中的一侧中形成废气密集部分，在所述第一燃烧凹陷和所述第二燃烧凹陷中的另一侧中形成氧气密集部分，从而在径向和上/下方向中同时获得废气的分层。

12、  如权利要求11所述的用于车辆的燃烧系统，其中燃料被喷射到所述废气密集部分从而燃料的燃烧可以在所述废气密集部分中开始。

13、  如权利要求12所述的用于车辆的燃烧系统，其中所述氧气密集部分的氧气在燃烧区内被混合以氧化并消除其中的煤烟。

14、  如权利要求1所述的用于车辆的燃烧系统，其中通过所述第一进气端口供给的再循环废气的量小于通过所述第二进气端口供给的再循环废气的量。

15、  如权利要求1所述的用于车辆的燃烧系统，其中所述再循环废气不供给到所述第一和第二进气端口中的一个，但是供给到其中的另一个。

16、  一种用于车辆的燃烧系统，包括：
活塞，其位于气缸中以执行进气、压缩、做功和排气冲程，且其中在所述活塞的上端面中形成第一燃烧凹陷，在所述第一燃烧凹陷的底面处进一步形成至少一个第二燃烧凹陷；
连接到所述气缸的第一进气口的第一进气端口和连接到所述气缸的第二进气口的第二进气端口；以及
控制器，其向所述第一进气端口和所述第二进气端口中的至少一个进气端口供给再循环废气，并不同地控制通过所述第一进气端口和第二进气端口被供给的再循环废气的量以在所述第一燃烧凹陷和所述第二燃烧凹陷之间使废气分层。

用于车辆的燃烧系统
相关申请的交叉引用
本发明要求2008年9月12日提交的韩国专利申请No.10-2008-0090343的优先权，其全部内容为各种目的而包含于此。
技术领域
本发明涉及一种用于车辆的燃烧系统，特别涉及减少废气中的颗粒物质和氮氧化合物(NOx)的用于车辆的燃烧系统。
背景技术
通常，柴油发动机的废气包括颗粒物质和氮氧化合物。但是，颗粒物质的主要成分，即煤烟(soot)，在高温氧化状态下可以被减少，而氮氧化合物主要产生于高温区中。
将废气再循环到燃烧室内的废气再循环(EGR)系统用于消除氮氧化合物。
即当燃烧室内的废气浓度变高时，燃烧温度降低以减少氮氧化合物。但是，当废气的再循环增加时，有氧气浓度降低从而增多了颗粒物质的问题。
为了解决上述问题，已经研究了废气分层技术。即当在燃烧室内使再循环的废气分层时，在燃烧室的废气密集区内氮氧化合物减少，而产生于废气密集区的煤烟在氧气密集区内被氧化，从而可以同时减小互相制约的两种有害的废气材料。
通常，当在活塞中形成一个燃烧槽时，在由第一进气端口供给100％的空气且从第二进气端口供给60％的再循环废气的情况下，再循环废气的浓度最大为34.7％，最小为28.9％，因此浓度的差异很小。
相应地，有难以实现再循环废气的分层的问题。再循环废气难以分层的原因是压缩冲程的最后阶段的压缩气流促使在压缩冲程的初始阶段被分离的再循环废气的密集区和氧气密集区混合。
此外，传统的分层技术从燃烧室的中部朝燃烧室的边缘使废气浓度分层，因此中部的气体被点火前从中部喷射到边缘的燃料混合到边缘部分，从而降低了分层效率。
背景技术部分公开的信息只用于增强对本发明的一般背景技术的理解，其不表示或以任何方式暗示该信息构成本领域技术人员已知的现有技术。
发明内容
本发明的各个方面用于提供一种用于车辆的燃烧系统，其优点是使再循环废气分层从而减少氮氧化合物和颗粒物质。
根据本发明的一方面，用于车辆的燃烧系统可以包括活塞，其中在活塞的上端面中形成第一燃烧凹陷，在第一燃烧凹陷的底面处进一步形成至少一个第二燃烧凹陷；用于向气缸供给空气的第一进气端口和第二进气端口；以及控制器，其不同地控制供给到第一进气端口和第二进气端口的再循环废气的量。
可以控制EGR阀的打开/关闭从而在进气阀被打开时在部分周期内再循环废气被供给到第一进气端口或第二进气端口，其中在确定周期内供给再循环废气直到进气阀被关闭。
第二燃烧凹陷的直径可以小于第一燃烧凹陷的直径，以形成阶梯形状。
可以在第一燃烧凹陷和第二燃烧凹陷之间的边界上形成倾斜部分，其中当倾斜部分延伸到活塞的中部时，倾斜部分朝活塞的上端面以预定角度延伸，且其中第一燃烧凹陷的边缘侧表面低于倾斜部分的顶面。
最末端的第二燃烧凹陷(last second combustion recess)的底面可以形成为平的。
可以在该最末端的第二燃烧凹陷的底面中形成倾斜的中部，当倾斜的中部延伸到活塞的中部时，该倾斜的中部变得更接近活塞的上端面。
第一燃烧凹陷可以具有距离活塞的上端面的第一深度，第二燃烧凹陷具有比距离活塞的上端面的第一深度深的第二深度，其中在第一燃烧凹陷和第二燃烧凹陷中的一侧中形成废气密集部分，在第一燃烧凹陷和第二燃烧凹陷中的另一侧中形成氧气密集部分，从而在径向和上/下方向中同时获得废气的分层，且其中燃料被喷射到废气密集部分从而燃料的燃烧可以在废气密集部分中开始，且其中氧气密集部分的氧气在燃烧区内被混合以氧化并消除其中的煤烟。
通过第一进气端口供给的再循环废气的量可以小于通过第二进气端口供给的再循环废气的量。
再循环废气可以不供给到第一和第二进气端口中的一个，而供给到其中的另一个。
根据本发明的另一个示例性实施例，用于车辆的燃烧系统可以包括活塞，其位于气缸中以执行进气、压缩、做功和排气冲程，且其中在活塞的上端面中形成第一燃烧凹陷，在第一燃烧凹陷的底面处进一步形成至少一个第二燃烧凹陷；连接到气缸的第一进气口的第一进气端口和连接到气缸的第二进气口的第二进气端口；以及控制器，其向第一进气端口和第二进气端口中的至少一个进气端口供给再循环废气，并不同地控制通过第一和第二进气端口被供给的再循环废气的量以在第一燃烧凹陷和第二燃烧凹陷之间使废气分层。
根据本发明的各个方面，在压缩冲程的最后阶段，废气密集部分可以形成在活塞的上部的第一燃烧凹陷中，氧气密集部分可以形成在第二燃烧凹陷中，同时燃料被喷射到第一燃烧凹陷以在废气密集部分中开始点火，从而可以减少氮氧化合物。
此外，点火正时可以被高密度的再循环废气延迟，从而促进燃料和空气的混合且在燃烧环境中当量比变为在2以下，从而煤烟的产生被抑制。
第二燃烧凹陷中的氧气可以通过膨胀冲程中的反压流动(converse-squish flow)流入第一燃烧凹陷中，且煤烟可以被氧气氧化从而被消除。
此外，在再循环废气相对较低的条件下，可以部分地获得高密度的再循环废气，且可以获得低于1600K的低温燃烧以减少氮氧化合物和煤烟，且该废气再循环技术可以应用到再循环技术难以应用的高负载条件中。
通过纳入本文的附图以及随后与附图一起用于说明本发明的某些原理的具体实施方式，本发明的方法和装置所具有的其它特征和优点将更为具体地变得清楚或得以阐明。
附图说明
图1是根据本发明的示例性车辆燃烧系统的局部俯视平面图。
图2是根据本发明的示例性车辆燃烧系统的示意性侧视图。
图3(A)和(B)是根据本发明的示例性车辆燃烧系统的活塞的局部剖面侧视图。
图4(A)到(D)是显示根据本发明的示例性车辆燃烧系统的压缩冲程中的流动的剖面侧视图。
图5是显示根据本发明的示例性车辆燃烧系统中的吸气状态的剖面侧视图。
图6(A)到(C)是显示根据本发明的示例性车辆燃烧系统中再循环废气被吸入的状态的图表。
图7是显示根据本发明的示例性车辆燃烧系统的过程的流程图。
图8是显示根据本发明的示例性车辆燃烧系统的试验数据和结果的图表。
应理解，附图不是严格按比例绘制，其显示说明本发明的基本原理的各个特征的某种简化表示。在此公开的本发明的特定设计特征，包括例如特定的尺寸、方向、位置、以及形状将部分地由特别计划的应用和使用环境所确定。
图中，附图标记在附图的几幅图片中指代本发明的相同或等效的部件。
具体实施方式
现在，将详细参考本发明的不同实施例，其实例显示在附图和以下描述中。虽然将结合示例性的实施例描述本发明，但应当理解该描述并非要把本发明限制于该示例性的实施例。相反，本发明将不仅覆盖该示例性的实施例，而且还覆盖各种替换的、改变的、等效的和其他实施例，其可包含在所附权利要求所限定的本发明的精神和范围内。
图1是根据本发明的各个实施例的车辆燃烧系统的局部俯视平面图。
参考图1，柴油燃烧系统包括气缸100、第一进气端口105、第二进气端口110、和排气管115。在此情况下，第一进气端口105可以被称为螺旋端口，第二进气端口110可以被称为正切端口。
在本发明的各个实施例中，第一进气端口105连接到第一进气口，第二进气端口110连接到第二进气口，排气管115连接到气缸的排气端口。
通过排气管115被排出的废气的一部分通过第一进气端口105和第二进气端口110再循环。
在本发明的各个实施例中，少量的废气被再循环到第一进气端口105，大量的废气被再循环到第二进气端口110。相应地，气缸100内的再循环废气被分层从而同时减少颗粒物质和氮氧化合物。
根据本发明的各个实施例，控制器控制控制阀从而向第一进气端口105和第二进气端口110供给再循环废气，并不同地控制通过第一和第二进气端口供给的再循环废气的量，从而使废气的浓度分层。
图2是根据本发明的各个实施例的车辆燃烧系统的示意性侧视图。
参考图2，根据第一流动255，通过第一进气端口105流入的废气移动到气缸100的较低部分，且根据第二流动250，通过第二进气端口110流入的废气移动到气缸100的较高部分和中间部分。
与现有技术的活塞相比，当使用两步骤活塞时，在压缩冲程过程中，流入第一进气端口的废气移动到气缸的较低部分，流入第二进气端口的废气移动到气缸的较高部分，从而增大了废气的分层。
如上所述，在进气冲程中，通过向第一进气端口105和第二进气端口110喷射不同数量的废气，可以在气缸100内获得废气的分层。
参考图2，活塞200位于气缸100的燃烧室内，第一燃烧槽或凹陷210和第二燃烧槽或凹陷215形成在活塞200上。参考图3详细描述第一燃烧槽或凹陷210和第二燃烧槽或凹陷215的结构。
此外，根据本发明的各个实施例的控制器不同地控制通过第一进气端口和第二进气端口供给的再循环废气的量，从而在第一燃烧凹陷210和第二燃烧凹陷215处使废气的浓度分层。
图3是根据本发明的各个实施例的车辆燃烧系统的活塞的局部剖面侧视图。
参考图3(A)，燃烧凹陷形成在活塞200a的上端部中，燃烧凹陷包括第一燃烧凹陷210和第二燃烧凹陷215。
第一燃烧凹陷210形成在活塞200a的上端面上的槽或凹陷结构中，第二燃烧凹陷215形成在第一燃烧凹陷210的底面上。相应地，根据本发明的各个实施例，第一燃烧凹陷210和第二燃烧凹陷215具有阶梯结构(terraced structure)。
在本发明的各个实施例中，中部朝活塞200a的上侧突出的第一倾斜表面部分300形成在第二燃烧凹陷215的底面上。如图3(A)所示，理想地，第一燃烧凹陷210的第一直径L1大于第二燃烧凹陷215的第二直径L2。
在本发明的其他实施例中，参考图3(B)，第一燃烧凹陷210和第二燃烧凹陷215形成在活塞200b的上端部中，且第二燃烧凹陷215的底面是平的。
如图3(B)所示，理想地，第一燃烧凹陷210的第一直径L1大于第二燃烧凹陷215的第二直径L2。此外，当比较第一燃烧凹陷210和第二燃烧凹陷215距离活塞的上端面的深度时，第一燃烧凹陷210具有第一深度D1，以及第二燃烧凹陷215具有第二深度D2，理想地，第二深度D2大于第一深度D1。
如图3(B)所示，第二倾斜表面部分305形成在位于第一燃烧凹陷210和第二燃烧凹陷215之间的边界上，且配置为高于第一燃烧凹陷210的边缘侧表面310，边缘侧表面310在活塞200b的外圆周方向中具有弯曲的线结构凹部。
参考图3，理想地，燃料从气缸100的上端中部喷射到第一燃烧凹陷210。
图4是显示根据本发明的各个实施例的车辆燃烧系统的压缩冲程中的流动的剖面侧视图。
参考图4(A)，在压缩冲程的初始阶段，当活塞200在上/下方向中运动时，在燃烧室的上部中形成废气密集部分400，在燃烧室的下部中形成氧气密集部分422，且废气密集部分400的一部分随着由压缩冲程产生的第一流动405而运动。
参考图4(B)，随着活塞200的升高，废气密集部分400的一部分通过第二流动410流入活塞200的第一燃烧凹陷210中。
参考图4(C)，随着活塞200的进一步升高，废气密集部分400的大部分通过第三流动415流入第一燃烧凹陷215的上部中，废气密集部分400形成在第一燃烧凹陷210中。此时，第一燃烧凹陷的氧气密集区通过第四流动420流入第二燃烧凹陷中，以形成氧气密集部分。
通过以上过程，在压缩冲程的最后阶段，再循环废气在径向和上/下方向中被分层。燃料被喷射到第一燃烧凹陷中且在废气密集部分中开始燃烧，相应地，燃烧温度被降低且氮氧化合物的产生被抑制。此外，废气密集部分中的点火被延迟从而降低了当量比(equivalenceratio)，以抑制煤烟的产生。
参考图4(D)，在燃料喷射后的做功冲程中，包括第二燃烧凹陷215的氧气的气体通过第五流动425运动到第一燃烧凹陷。在第一燃烧凹陷中产生的煤烟被氧气氧化，从而降低了煤烟的产生。
在本发明的各个实施例中，再循环废气在气缸100的径向和上/下方向中被分层，理想地，柴油燃料直接喷射到第一燃烧凹陷210中，在此废气的浓度相对较高。
此外，上述的气缸结构和废气供给方法可以应用到一般的汽油进气系统或汽油直喷系统中。
图5是显示根据本发明的各个实施例的车辆燃烧系统中的吸气状态的剖面侧视图。
参考图5，在气缸100内，再循环废气的最大浓度是45％，最小浓度是23.5％，因此其差异是21.5％。
如上所述，再循环废气被不同地供给到第一进气端口105和第二进气端口110，且活塞200具有两步骤燃烧凹陷210和215，从而在燃烧室内有效地获得了废气的分层。
图6是显示根据本发明的各个实施例的车辆燃烧系统中再循环废气被吸入的状态的图表。
参考图6(A)，“IVO”表示当进气阀被打开的时刻，“IVC”表示当进气阀被关闭的时刻。此外，在预定周期内供给再循环废气直到进气阀被关闭。
相应地，在燃烧室内安全地获得了废气的分层。
参考图6(B)，在中段供给废气。此外，参考图6(C)，从进气阀被打开的点开始在确定周期内供给废气，并在进气阀被关闭之前在确定周期内供给废气。
如上所述，当空气流入燃烧室内时，只在预定周期内供给废气，以增强废气的分层并根据驾驶条件来控制分层速度和分层位置。
在本发明的各个实施例中，可以通过废气控制阀和控制该阀的打开/关闭状态的控制器来控制预定周期，从而再循环废气。
图7是显示根据本发明的各个实施例的车辆燃烧系统的过程的流程图。
参考图7，需要低燃烧温度和充足的氧气，以同时减少氮氧化合物和煤烟。
此外，当燃料直接喷射的区域内的再循环废气的浓度较高时，燃烧温度被降低，因此氮氧化合物被减少。
此外，当燃料喷射的区域内的再循环废气的浓度较高时，点火被延迟，因此煤烟被下端部分的氧气氧化，从而被消除。
如上所述，通过本发明的各个实施例中的分层再循环废气，同时减少了氮氧化合物和煤烟。
图8是显示根据本发明的各个实施例的车辆燃烧系统的试验数据和结果的图表。
参考图8，试验结果显示，当与基本进气状态相比获得了分层时，氮氧化合物和煤烟减少，且三维分析结果也显示，氮氧化合物和煤烟减少。特别地，煤烟的减少量高于50％，且煤烟的减少率高于氮氧化合物的减少率。
更详细地说，在基本进气状态下，具有30％的再循环废气量的气体被均匀地供给到所有进气端口，在分层状态下，具有60％的再循环废气的气体被供给到第二进气端口，且具有0％的再循环废气的空气被供给到第一进气端口，试验结果以三维CFD方法显示了单柴油发动机中的氮氧化合物和颗粒物质(例如煤烟)的生成速度。
当应用如上所述的废气分层技术时，与基本进气条件相比，试验结果中废气中减少了5.3％的氮氧化合物和56.4％的颗粒物质，在分析结果中，减少了11％的氮氧化合物和81.7％的颗粒物质。
为了在所附的权利要求中解释方便和准确定义，参考图中所示的特征的位置使用术语“上”和“下”来描述示范性实施例中的这些特征。
前面对本发明的具体示范性实施例所呈现的描述是出于说明和描述的目。其不是穷尽性的，也不用于将本发明限制到所公开的特定形式，显然，根据上述教示，各种修改和变化都是可能的。为了解释本发明的特定原理及其实际应用而选择和描述了示范性实施例，从而使本领域的其他技术人员可以实施并利用本发明的不同示范性实施例，及其各种改变和变化。本发明的范围将由所附的权利要求及其等效范围所限定。