JP2010065678A - 車両の燃焼システム - Google Patents

Abstract

【課題】
第１吸気バルブ側には再循環排気ガスを多く、第２吸気バルブ側には再循環排気ガスを少なく供給し、燃焼ガスを成層化して粒子状物質及び窒素酸化物を低減する。同時に、ピストンの燃焼室を２段構造に形成し、又、燃焼前に再循環排気ガスを多く供給して成層化を達成し、ＰＭ及び窒素酸化物を同時に低減する車両の燃焼システムを提供する。
【解決手段】
シリンダーに空気を供給する第１、２吸気ポート、吸気、圧縮、爆発、及び排気過程を行い、上端面には第１燃焼溝が、第１燃焼溝の底面に第２燃焼溝がさらに形成されるシリンダー、第１、２吸気ポートに再循環排気ガスを供給し、各々の再循環排気ガス量を互いに異なるように制御し、第１、２燃焼溝の間に排気ガスの濃度が異なるように成層化する制御部を含む構造からなる。
【選択図】図２

Description

本発明は、車両の燃焼システムに関し、より詳細には、粒子状物質及び窒素酸化物を低減するための車両の燃焼システムに関する。

一般的なディーゼルエンジンの主要排気ガスは、粒子状物質及び窒素酸化物である。粒子状物質の主要成分であるｓｏｏｔは、高温及び高酸素状態で低減されるが、窒素酸化物は、高温状態で主に生成される。

そこで、窒素酸化物を低減するために、燃焼室内に排気ガスを再循環させるＥＧＲ（Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）技術が使用されている。

つまり、燃焼室内の排気ガスの濃度が高くなるほど、燃焼温度が低くなるので、窒素酸化物を低減することができる。しかし、排気ガスの再循環率が増加するほど、酸素の濃度が低くなるので、粒子状物質の生成が増加する問題がある。

このような問題を解決するために、再循環された排気ガスを成層化（ｓｔｒａｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ）する技術が研究されている。つまり、再循環された排気ガスが成層化されると、燃焼室内の排気ガスが濃厚な部分では窒素酸化物が低減され、酸素が濃厚な部分では排気ガスが濃厚な部分で生成されるｓｏｏｔが燃焼して、ｔｒａｄｅ−ｏｆｆ関係にある２つの有害排出物の同時低減が期待される。 特許文献１参照。

一般的なピストンの上端面に１段構造の燃焼溝が形成されたピストンに対して、第１吸気ポートに純粋な空気が流入し、第２吸気ポートに６０％の排気ガス再循環率を有する気体が流入する場合、圧縮過程の末期に再循環された排気ガスの濃度は最大３４．７％であり、最小２８．９％であって、その差が大きくない。

したがって、再循環された排気ガスの成層化がほとんど達成されない問題がある。再循環排気ガスの成層化がほとんど達成されない理由は、圧縮過程の初期に分離されていた再循環排気ガスが濃厚な部分及び酸素が濃厚な部分が圧縮過程の末期にスクイッシュ（ｓｑｕｉｓｈ）流動によって混合が促進されるためである。

また、既存の成層化技術は、燃焼室の中心部から周辺部への半径方向の排気ガス濃度の成層化であるため、中心部からの燃料の噴射によって点火前に中心部の気体が周辺部の気体に混合されて、成層化の効果が半減する。

特開２００４−２５７３０５号公報

本発明は前記のような点に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、燃焼室で再循環された排気ガスを成層化させて、排気ガスに含まれている窒素酸化物及び粒子状物質を効果的に低減する、車両の燃焼システムを提供することにある。

既存のＥＧＲの成層化は、成層化度が低いだけでなく、燃焼室の半径方向だけへの成層化によって、中心部の酸素が噴射によってＥＧＲが濃厚な部分に混合されて、成層化の効果が半減する。

前記目的を達成するための本発明による車両の燃焼システムは、１つのシリンダーの第１吸気口と連結されて、前記シリンダーに空気を供給する第１吸気ポート、前記１つのシリンダーの第２吸気口と連結されて、前記シリンダーに空気を供給する第２吸気ポート、前記１つのシリンダー内に配置されて、吸気、圧縮、爆発、及び排気過程を行って、上端面には第１燃焼溝が形成され、前記第１燃焼溝の底面に少なくとも１つの第２燃焼溝がさらに形成されるピストン、及び、前記第１吸気ポート及び前記第２吸気ポートに供給される再循環排気ガスの量を互いに異なるように制御する制御部、を含むことを特徴とする。

また、前記第１吸気ポートまたは前記第２吸気ポートに供給される前記再循環排気ガスは、吸気バルブが開かれた期間の一部の期間にだけ供給されるように制御され、前記吸気バルブが閉じられる前の所定の期間の間にだけ前記再循環排気ガスが供給されることを特徴とする。

また、前記第１燃焼溝は、前記ピストンの上端面から第１深さを有し、前記第２燃焼溝は、前記ピストンの上端面から前記第１深さより深い第２深さを有することを特徴とする。

前記第２燃焼溝の底面には、ピストンの中心部に行くほど、前記ピストンの上端面と近くなる第１傾斜面が形成され、第１燃焼溝及び第２燃焼溝のうちの１つの部分に排気ガスが濃厚な部分が形成され、他の部分に酸素が濃厚な部分が形成されて、前記シリンダーの半径方向及び上下方向に同時に排気ガスの成層化が行われることを特徴とする。

前記排気ガスが濃厚な部分に燃料が噴射されることによって、前記排気ガスが濃厚な部分で燃焼が始まり、膨張過程で、酸素が濃厚な部分の気体が燃焼領域に混合されて、媒煙（ｓｏｏｔ）を追加的に酸化させて除去することができることを特徴とする。

前記第１、２吸気ポートのうちのいずれか１つの吸気ポートに供給される再循環排気ガスの量は、残りの吸気ポートに供給されるものより少ないことを特徴とする。

前記第１、２吸気ポートのうちのいずれか一側には再循環排気ガスが供給されず、残りの他側には再循環排気ガスが供給されることを特徴とする。

前記のように、本発明による車両の燃焼システムによれば、第１吸気バルブ側には再循環排気ガスを少なく供給し、第２吸気バルブ側には再循環排気ガスを多く供給することによって、燃焼ガスが成層化される。

同時に、２段構造のピストンを適用することによって、燃焼室の半径方向への排気ガス濃度の成層化と同時に、燃焼室の上下方向への成層化が確実に達成される。

圧縮過程の末期に燃焼室の上層部である第１燃焼溝部分に排気ガスが濃厚な部分が形成され、下層部である第２燃焼溝部分に酸素が濃厚な部分が形成されて、燃料を第１燃焼溝部分に噴射して、排気ガスが濃厚な部分で燃焼が始まるようにして、窒素酸化物を低減する。

また、濃厚な排気ガスによって、噴射点火を遅延して、燃料及び空気の混合を促進して、火炎内で当量比２以下の燃焼環境を具現することによって、ｓｏｏｔの生成を抑制することができる。

膨張過程で、第２燃焼溝部分で濃厚な酸素が逆スクイッシュ（ｓｑｕｉｓｈ）流動によって第１燃焼溝に流入し、流入した酸素によってｓｏｏｔが酸化されて、ｓｏｏｔの生成が低減されるようになる。

また、全体的に同一な排気ガス再循環率条件でも、部分的により高い排気ガスの濃度を実現できるので、現在の技術では実現が難しい火炎温度１６００Ｋ以下の低温燃焼の実現による窒素酸化物及びｓｏｏｔの低減の可能性があって、排気ガス再循環技術を適用するのが難しい高負荷領域まで適用領域を拡張することができる。

本発明の実施例による車両の燃焼システムの一部平面図である。 本発明の実施例による車両の燃焼システムの概略的な側面図である。 本発明の実施例による車両の燃焼システムにおけるピストンの一部側断面図である。 本発明の実施例による車両の燃焼システムにおける圧縮過程の流動を示した側断面図である。 本発明の実施例による車両の燃焼システムでガスが吸入される状態を示した側断面図である。 本発明の実施例による車両の燃焼システムで再循環されたガスが吸入される状態を示したテーブルである。 本発明の実施例による車両の燃焼システムを実現する条件を示すフローチャートである。 本発明の実施例による車両の燃焼システムの実験データ及び解析結果を示したグラフである。

以下、本発明の好ましい実施例を添付した図面に基づいて詳細に説明する。

図１は本発明の実施例による車両の燃焼システムの一部平面図である。

図１を参照すれば、ディーゼル燃焼システムは、シリンダー１００、第１吸気ポート１０５、第２吸気ポート１１０、及び排気配管１１５を含む。ここで、前記第１吸気ポート１０５はヘリカルポート（ｈｅｌｉｃａｌ ｐｏｒｔ）及び前記第２吸気ポート１１０はタンジェンシャルポート（ｔａｎｇｅｎｔｉａｌ ｐｏｒｔ）ともいわれる。

本発明の実施例で、前記第１吸気ポート１０５は第１吸気口と連結され、前記第２吸気ポート１１０は第２吸気口と連結され、前記排気配管１１５は前記シリンダーの排気ポートと連結される。

前記排気配管１１５を通じて排気される排気ガスのうちの一部は、前記第１吸気ポート１０５及び前記第２吸気ポート１１０に再び流入する。

本発明の実施例で、前記第１吸気ポート１０５には少量の排気ガスが流入し、前記第２吸気ポート１１０には多量の排気ガスが流入する。したがって、シリンダー１００の内部で再循環された排気ガスが成層化されて、粒子状物質及び窒素酸化物が同時に低減される。

本発明の実施例による制御部は、前記第１吸気ポート１０５及び前記第２吸気ポート１１０に再循環排気ガス（ｅｘｈａｕｓｔ ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ ｇａｓ）を供給するように制御バルブ（図示せず）を制御し、前記第１、２吸気ポートを通じて供給される再循環排気ガスの量を互いに異なるように制御して、排気ガスの濃度が異なるように成層化する。

図２は本発明の実施例による車両の燃焼システムの概略的な側面図である。

図２を参照すれば、前記第１吸気ポート１０５を通じて流入した気体は、前記シリンダー１００の内部で第１流路２５０に沿って下部に移動し、前記第２吸気ポート１１０を通じて流入した気体は、前記シリンダー１００の内部で第２流路２５５に沿って上部及び中心部に移動する。

既存のピストンを使用した場合と比べて、２段構造のピストンを使用すると、第１吸気ポートに流入した気体がシリンダーの下部にさらに移動するようになり、第２吸気ポートに流入した気体が上部にさらに移動するようになって、圧縮過程の開始時に排気ガスの成層化度が増加する。

前記のように、前記第１、２吸気ポート１０５、１１０に異なる量の排気ガスを注入することによって、吸入過程で前記シリンダー１００の内部（燃焼室：ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ ｃｈａｍｂｅｒ）に排気ガスが成層化される。

図２を参照すれば、前記シリンダー１００の内部の燃焼室にはピストン２００が配置され、前記ピストン２００には第１燃焼溝２１０及び第２燃焼溝２１５が形成される。前記第１、２燃焼溝２１０、２１５の構造については、図３を参照して詳細に説明する。

同時に、本発明の実施例による制御部は、前記第１、２吸気ポートを通じて供給される再循環排気ガスの量を互いに異なるように制御して、第１、２燃焼溝２１０、２１５での排気ガスの濃度が異なるように成層化する。

図３は本発明の実施例による車両の燃焼システムにおけるピストンの一部側断面図である。

図３の（Ａ）を参照すれば、前記ピストン２００ａの上端部には燃焼溝が形成され、前記燃焼溝は、第１燃焼溝２１０及び第２燃焼溝２１５を含む。

前記ピストン２００ａの上端面に前記第１燃焼溝２１０が形成され、前記第１燃焼溝２１０の底面に前記第２燃焼溝２１５がさらに形成される構造からなる。したがって、本発明の実施例による前記ピストン２００ａは、階段式の前記第１、２燃焼溝２１０、２１５を含む。

同時に、前記第２燃焼溝２１５の底面には、中間部分が上部へ向かう第１傾斜面３００が形成される。図３（Ａ）に示しているように、前記第１燃焼溝２１０の第１直径（Ｌ１）は、前記第２燃焼溝２１５の第２直径（Ｌ２）より大きく形成されるのが好ましい。

図３（Ｂ）を参照すれば、前記ピストン２００ｂの上端部には第１、２燃焼溝２１０、２１５が形成され、前記第２燃焼溝２１５の底面は平らに形成される。

図３（Ｂ）に示しているように、前記第１燃焼溝２１０の第１直径（Ｌ１）は、前記第２燃焼溝２１５の第２直径（Ｌ２）より大きく形成されるのが好ましい。同時に、前記ピストン２００ｂの上端面から前記第１、２燃焼溝２１０、２１５の深さを比較すると、前記第１燃焼溝２１０の底面は第１深さ（Ｄ１）を有し、前記第２燃焼溝２１５の底面は第２深さ（Ｄ２）を有して、前記第１深さ（Ｄ１）より前記第２深さ（Ｄ２）が深いのが好ましい。

図３（Ｂ）に示したように、前記第１燃焼溝２１０の底面には、前記ピストン２００ｂの中心部方向に高くなる第２傾斜面３０５が形成され、前記第１燃焼溝２１０の周縁の側面３１０は、前記ピストン２００ｂの外周面方向に凹んだ曲線構造からなる。

図３を参照すれば、前記シリンダーの上端部の中間部分から前記第１燃焼溝２１０に噴射されるのが好ましい。

図４は本発明の実施例による車両の燃焼システムにおける圧縮過程の流動を示した側断面図である。

図４の（Ａ）を参照すれば、上下方向に運動する前記ピストン２００において、圧縮過程の初期に燃焼室の上部に排気ガスが濃厚な部分が形成され、燃焼室の下部に酸素が濃厚な部分が形成されて、排気ガス４００の一部が圧縮によって発生する第１流路４０５を通じて移動する。

図４（Ｂ）を参照すれば、前記ピストン２００が上昇することによって、前記排気ガス４００の一部が第２流路４１０を通じて前記ピストン２００の前記第１燃焼溝２１０に流入する。

図４（Ｃ）を参照すれば、前記ピストン２００がさらに上昇することによって、前記排気ガス４００の大部分が第３流路４１５を通じて前記ピストン２００の前記第１燃焼溝２１０の上部に流入して、第１燃焼溝に排気ガスが濃厚な部分を形成する。この時、第２燃焼溝２１５の酸素が濃厚な空気が第４流路４２０を通じて第２燃焼溝に流入して、酸素が濃厚な部分を形成する。

前記過程を通じて圧縮過程の末期に半径方向及び上下方向への再循環排気ガスの成層化が行われる。燃料は、第１燃焼溝に噴射されて、排気ガスが濃厚な部分で燃焼が始まり、それによって低温燃焼が生じ、窒素酸化物の生成が抑制される。また、排気ガスが濃厚な部分での点火が遅延し、火炎内の当量比が低くなって、ｓｏｏｔの生成も抑制される。

図４（Ｄ）を参照すれば、燃料噴射後の膨張過程で、前記第２燃焼溝２１５にあった酸素を含む気体は、第５流路４２５を通じて第１燃焼溝に移動するようになる。この酸素によって第１燃焼溝に生成されたｓｏｏｔが酸化されて、最終的にｓｏｏｔの生成が低減される。

本発明の実施例では、再循環排気ガスが前記シリンダー１００の半径方向及び上下方向に成層化（ｓｔｒａｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ）され、排気ガスの濃度が高いディーゼル燃料が前記第１燃焼溝２１０に直接噴射されるのが好ましい。

同時に、このようなシリンダーの構造及び排気ガスの供給方法は、一般的なガソリン吸気システム及びガソリン直噴射システムに応用できる。

図５は本発明の実施例による車両の燃焼システムでガスが吸入される状態を示した側断面図である。

図５を参照すれば、前記シリンダー１００の内部で再循環された前記排気ガスが最大である部分は４５％であり、前記排気ガスが最小である部分は２３．５％であり、その差は２１．５％である。

前記のように、再循環排気ガスを前記第１吸気ポート１０５及び前記第２吸気ポート１１０に異なる量で供給し、前記ピストン１００の燃焼溝２１０、２１５を２段に形成することによって、燃焼室内で前記排気ガスの成層化が達成されることがわかる。

図６は本発明の実施例による車両の燃焼システムで再循環ガスが吸入される状態を示したテーブルである。

図６の（Ａ）を参照すれば、ＩＶＯは吸気バルブが開かれるタイミングであり、ＩＶＣは吸気バルブが閉じられるタイミングである。（Ａ）では、前記吸気バルブが閉じられる前の所定の期間の間は再循環排気ガスが供給される。

したがって、燃焼室で前記排気ガスの成層化がより安定的に形成される。

図６（Ｂ）を参照すれば、前記排気ガスが中間に供給される。また、（Ｃ）を参照すれば、前記吸気バルブが開かれて、所定の期間の間に排気ガスが供給され、前記吸気バルブが閉じられる前の所定の期間の間に排気ガスが供給される。

前記のように、燃焼室に燃料ガスが吸入される期間中に前記排気ガスを所定の期間だけ供給することによって、前記排気ガスの成層化をより向上することができ、運転条件によって成層化の位置及び成層化度の制御が可能である。

本発明の実施例で、前記排気ガスが供給される所定の期間は、排気ガス制御バルブ及びこれをオン／オフ制御する制御部によって制御される。

図７は本発明の実施例による車両の燃焼システムを実現する条件を示すフローチャートである。

図７を参照すれば、窒素酸化物及びｓｏｏｔの低減が同時に要求される場合、燃焼室内部の低い温度及び酸素が必要である。

また、燃料が直接噴射される空間（燃焼室の上段部）の再循環排気ガスの濃度が高い場合にのみ燃焼温度が低くなる。この条件で窒素酸化物が低減する。

また、燃料が噴射される空間の再循環排気ガスの濃度が高いと、点火が遅延して、その間にｓｏｏｔが燃焼室の下段部の酸素と共に燃焼して低減する。

前記のように、本発明の実施例では、再循環排気ガスの成層化によって窒素酸化物及びｓｏｏｔを同時に低減することができる。

図８は本発明の実施例による車両の燃焼システムの実験データ及び解析結果を示したグラフである。

図８を参照すれば、基本吸気条件より、成層化吸気条件で、窒素酸化物（ＮＯｘ）及び媒煙（ｓｏｏｔ）の量が低減する実験データ値が示され、３次元解析結果も、窒素酸化物及び媒煙が同時に低減する結果値が示された。特に、媒煙（ｓｏｏｔ）が低減した量は５０％以上で、窒素酸化物より媒煙の低減効果がより高かった。

より詳細に説明すれば、両側の吸気ポートに均一に３０％の排気ガス再循環率を適用した基本吸気条件、及び第２吸気ポートに６０％、第１吸気ポートに０％の排気ガス再循環率を適用した成層化吸気条件に対して、単気筒ディーゼルエンジンの実験データ及び３次元ＣＦＤ解析結果から得られた窒素酸化物及び粒子状物質の生成率の結果である。

排気ガス成層化技術を適用すると、基本吸気条件との対比実験では、窒素酸化物が５．３％、粒子状物質が５６．４％減少し、解析では、窒素酸化物が１１％、粒子状物質が８１．７％減少する効果を得た。

以上で、本発明に関する好ましい実施例を説明したが、本発明は前記実施例に限定されず、当該発明に属する技術分野で通常の知識を有する者が技術的範囲内において容易に変更可能である。

本発明は、粒子状物質及び窒素酸化物の排出を低減する、ＥＧＲと成層化技術を用いた車両の燃焼システムに適用できる。

１００ シリンダー
１０５ 第１吸気ポート
１１０ 第２吸気ポート
１１５ 排気配管
２００、２００ａ、２００ｂ ピストン
２１０ 第１燃焼溝
２１５ 第２燃焼溝
２５０ 第１流路
２５５ 第２流路
３００ 第１傾斜面
３０５ 第２傾斜面
３１０ 側面
４００ 排気ガス
４０５ 第１流路
４１０ 第２流路
４１５ 第３流路
４２０ 第４流路
４２５ 第５流路

Claims (11)

1. １つのシリンダーの第１吸気口と連結されて、前記シリンダーに空気を供給する第１吸気ポート、
   前記１つのシリンダーの第２吸気口と連結されて、前記シリンダーに空気を供給する第２吸気ポート、
   前記１つのシリンダー内に配置されて、吸気、圧縮、爆発、及び排気過程を行って、上端面には第１燃焼溝が形成され、前記第１燃焼溝の底面に少なくとも１つの第２燃焼溝がさらに形成されるピストン、及び、
   前記第１吸気ポート及び前記第２吸気ポートに供給される再循環排気ガスの量を互いに異なるように制御する制御部、を含むことを特徴とする車両の燃焼システム。
2. 前記第１吸気ポートまたは前記第２吸気ポートに供給される再循環排気ガスは、吸気バルブが開かれた期間の一部の期間にだけ供給されるように、排気ガス制御バルブがオン／オフ制御されることを特徴とする請求項１に記載の車両の燃焼システム。
3. 前記吸気バルブが閉じられる前の所定の期間の間に前記再循環排気ガスが供給されることを特徴とする請求項２に記載の車両の燃焼システム。
4. 前記第１燃焼溝は、前記ピストンの上端面から第１深さを有し、前記第２燃焼溝は、前記ピストンの上端面から前記第１深さより深い第２深さを有することを特徴とする請求項１に記載の車両の燃焼システム。
5. 前記第２燃焼溝の底面には、ピストンの中心部に行くほど、前記ピストンの上端面と近くなる第１傾斜面が形成されることを特徴とする請求項４に記載の車両の燃焼システム。
6. 第１燃焼溝及び第２燃焼溝のうちのいずれか一側に排気ガスが濃厚な部分が形成され、他側に酸素が濃厚な部分が形成されて、前記シリンダーの半径方向及び上下方向に同時に排気ガスの成層化が行われることを特徴とする請求項４に記載の車両の燃焼システム。
7. 前記排気ガスが濃厚な部分に燃料が噴射されることによって、前記排気ガスが濃厚な部分で燃焼が始まることを特徴とする請求項６に記載の車両の燃焼システム。
8. 膨張過程で、酸素が濃厚な部分の気体が燃焼地域に混合されて、媒煙（ｓｏｏｔ）を酸化させて除去することを特徴とする請求項７に記載の車両の燃焼システム。
9. 前記第１吸気ポートに供給される再循環排気ガスの量は、前記第２吸気ポートに供給されるものより少ないことを特徴とする請求項１に記載の車両の燃焼システム。
10. 前記第１、２吸気ポートのうちのいずれか一側には再循環排気ガスが供給されず、残りの他側には再循環排気ガスが供給されることを特徴とする請求項１に記載の車両の燃焼システム。
11. シリンダー内に配置されて、吸気、圧縮、爆発、及び排気過程を行って、上端面には第１燃焼溝が形成され、前記第１燃焼溝の底面に少なくとも１つの第２燃焼溝がさらに形成されるピストン、
    前記シリンダーの第１吸気口と連結されて、前記シリンダーに空気を供給する第１吸気ポート及び前記シリンダーの第２吸気口と連結されて、前記シリンダーに空気を供給する第２吸気ポート、及び
    前記第１吸気ポート及び前記第２吸気ポートのうちの少なくとも１つの吸気ポートに再循環排気ガスを供給し、前記第１、２吸気ポートを通じて供給される再循環排気ガスの量を互いに異なるように制御して、前記第１燃焼溝及び前記第２燃焼溝の間に排気ガスの濃度が異なるように成層化する制御部、を含むことを特徴とする車両の燃焼システム。

Images