JP2018066587A - 粒子状物質発生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】排気ガス浄化装置等の浄化処理性能を評価する際に使用するＰＭ発生装置において、排気ガス流量やＰＭ発生量等の各種パラメータの設定範囲の自由度を広くすることができ、かつ各種パラメータを個別に制御可能なＰＭ発生装置の提供を課題とする。
【解決手段】ＰＭ発生装置１は、主燃焼室１０と、一次燃焼ガス１４を発生させる主バーナー２０と、主燃焼空間１１と連通する副燃焼空間３１を内部に有する副燃焼室３０と、一次燃焼ガス１４の流れ方向に直交する方向に、炎方向を一致させて二次燃焼炎３７を生成し、二次燃焼ガス３９を発生させる副バーナー４０と、二次燃焼炎３７の少なくとも一部を遮蔽し、保護する保炎部５０とを具備する。
【選択図】図１

Description

本発明は、粒子状物質発生装置に関する。更に詳しくは、排気ガス流量、排気ガス組成、粒子状物質の発生量、及び粒子状物質の粒径分布等の各種のパラメータの設定自由度を広くし、かつ個別に制御可能な粒子状物質発生装置（以下、単に「ＰＭ発生装置」と称す。）に関する。

自動車用のディーゼルエンジンやガソリンエンジン等の各種内燃機関から排出される排気ガスの中には、塵、スス、及びカーボン微粒子等の多くの粒子状物質（パティキュレートマター：Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｍａｔｔｅｒ）が含まれている。これらの粒子状物質（以下、単に「ＰＭ」と称す。）を大気中にそのまま放出することは、自然環境や人体に及ぼす影響が大きいことが知られている。そのため、様々な法規制等によって当該ＰＭを含む排気ガスを直接大気中に放出することが制限され、近年においてその規制が強化される傾向にある。そこで、排気ガス浄化装置や微粒子捕集フィルタ（以下、「排気ガス浄化装置等」と称す。）を用い、排気ガス中に含まれるＰＭを除去する浄化処理を行った後、排気ガスは大気中に放出されている。

排気ガス浄化装置等には、セラミックス製のハニカム構造体を用いたＤＰＦ（Ｄｉｅｓｅｌ Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｆｉｌｔｅｒ）やＧＰＦ（Ｇａｓｏｌｉｎｅ Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｆｉｌｔｅｒ）、或いはハニカム構造体に選択的還元触媒（ＳＣＲ：Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ Ｃａｔａｌｙｓｔ Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ）や三元触媒（ＴＷＣ：Ｔｈｒｅｅ Ｗａｙ Ｃａｔａｌｙｓｔ）等の触媒を担持させたハニカム触媒体が主に使用されている。これらのＤＰＦ等で構成された排気ガス浄化装置等を使用する場合、ＰＭの捕集効率やＰＭ捕集量等の浄化処理性能や耐久性などを予め評価することが行われている。

例えば、実際の自動車に搭載される自動車エンジンの排気系と排気ガス浄化装置等とを接続し、自動車エンジンの稼働によって発生する排気ガスを排気ガス浄化装置等に直接導入し、導入前後のガス成分の分析やＰＭ捕集量、或いは捕集効率等の評価を行っている。

また、カーボン微粒子や実際の排気ガスから採取されたＰＭを、高温のガスに混合することで、ＰＭを含んだ排気ガスを模擬的に再現することが行われている。更に、軽油や炭化水素を不完全燃焼させ、故意にＰＭを含む排気ガスを発生させるものや、黒鉛電極をスパークさせることでカーボン微粒子のＰＭを含む排気ガスを発生させること等が行われている（例えば、特許文献１参照。）。

一方、燃料間欠噴射手段を備えるガスバーナーを用い、燃焼用空気の中に間欠的に気体燃料を噴射することで、一時的に不完全燃焼を生じさせ、多量のＰＭを発生させるＰＭ発生装置（特許文献２参照）や燃焼室に燃焼用空気を供給するための空気入口に、燃焼用空気の流れ方向に直交する断面における当該燃焼用空気の流速の速い領域を、燃焼室の中央部から偏らせて配置し、燃焼用空気に偏流を生じさせる偏流形成用配管を備えたＰＭ発生装置（特許文献３参照）、或いはメインバーナーとして粒子状物質を発生させる粒子状物質発生用メインバーナーとフィルタ再生用高熱ガス発生用メインバーナーとの２つのメインバーナーを備える粒子状物質含有ガスまたはフィルタ再生用高熱ガス発生装置（特許文献４参照）を使用した評価が提案されている。

特開２００５−２１４７４２号公報 特開２００７−１５５７１２号公報 特開２０１１−２０９２０２号公報 特開２０１２−１８９４５４号公報

しかしながら、排気ガス浄化装置等の浄化処理性能を評価するための上記方法やＰＭ発生装置は、下記に係る不具合を生じる可能性があった。すなわち、実際の自動車エンジンを使用するものは、評価のための試験設備が比較的大掛かりとなる可能性が高く、設備コストやメンテナンスコスト等が高くなるおそれがあった。更に、自動車エンジンが故障または破損する可能性があるため、通常の自動車エンジンの稼働条件を大幅に逸脱した排気ガス流量等のパラメータを変更することができず、標準的な範囲での試験条件に留まり、パラメータの設定自由度が狭い範囲に制限されることがあった。

一方、特許文献１〜４に示すＰＭ発生装置等の場合、上記自動車エンジンの使用に比べ、試験設備をコンパクトに設計することができ、設備コスト等の増大を防ぐことが可能となる。また、排気ガス流量等のパラメータを比較的広い範囲で変化させることができる。

しかしながら、特許文献１の場合、予め採取されたＰＭを使用するものであり、排気ガスを完全に再現するものでなかった。また、特許文献２の場合、一つのガスバーナーのみで構成されるため、排気ガス流量やＰＭ発生量等を個別に制御することが困難となり、依然としてパラメータの設定自由度が制限されることがあった。

一方、特許文献３または４に開示されたＰＭ発生装置等は、構成中に二つのバーナーを備えていた。しかしながら、特許文献３の場合、メインバーナーに対し、当該メインバーナーに着火させるためのパイロットバーナーを備えるものであり、メインバーナーの着火後はパイロットバーナーを消火することを想定している。そのため、二つのバーナーを同時に、かつ継続して作動させるものではなく、上記特許文献２と同様に排気ガス流量等のパラメータの設定及び変更は、依然としてメインバーナーのみで行われていた。

また、特許文献４に開示された粒子状物質含有ガスまたはフィルタ再生用高熱ガス発生装置は、発生させるガスのガス温度の生成能力を高めるために、温度補助用に更にバーナーの構成を追加したものであり、排気ガス流量やＰＭ発生量等は一つのメインバーナーで制御されるものであった。すなわち、特許文献３及び４に開示されたＰＭ発生装置等は、構成上は二つのバーナーを備えるものの、各種パラメータを個別に制御する機能を有するものではなかった。

特に、上記自動車エンジンを利用する場合、稼働途中の熱間状態のときにＰＭの発生有無をコントロールすることができなかった。そのため、自動車エンジンを冷間始動させたときの評価が行われる。冷間始動とは、自動車エンジンが外気温と同じまたはそれよりも冷えた状態からエンジン始動を行うものである。しかしながら、冷間始動の場合、始動に伴って徐々に自動車エンジン自体の温度が変化するため、ＰＭ発生条件が変化し、評価の安定性に欠ける問題があった。係る問題は上記ＰＭ発生装置の場合でも同様であった。そこで、冷間始動時でも安定したＰＭを発生させることができるとともに、熱間状態でもＰＭの発生有無を制御可能な装置が望まれていた。これにより、ＰＭ再生除去直後の熱間状態におけるＰＭ捕集初期状態を再現することが可能となる。

そこで、本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、排気ガス浄化装置等の浄化処理性能等を評価する際に使用され、排気ガス流量やＰＭ発生量等の各種パラメータの設定自由度の範囲を広くし、かつ各種パラメータを個別に制御可能なＰＭ発生装置（粒子状物質発生装置）の提供を課題とするものである。

特に、完全燃焼炎を用いることで、冷間始動時でも安定したＰＭ発生状態を維持し、かつ熱間状態でもＰＭの発生有無を制御することが可能なＰＭ発生装置の提供を課題とするものである。

本発明によれば、上記課題を解決した粒子状物質発生装置が提供される。

［１］ 主燃焼空間を内部に有する主燃焼室と、一次燃料及び一次燃焼用空気を所定の空燃比に調整し、混合した一次混合燃料を、前記主燃焼空間に連続的に供給し、完全燃焼させた一次燃焼炎を生成し、一次燃焼ガスを発生させる主バーナーと、前記主燃焼室の前記主燃焼空間と連通する副燃焼空間を内部に有し、発生した前記一次燃焼ガスを前記副燃焼空間に導入可能な一次燃焼ガス導入部、及び、前記副燃焼空間から排気ガスを排出するための排気ガス排出部を有する副燃焼室と、二次燃料及び二次燃焼用空気を所定の空燃比に調整し、混合した二次混合燃料を、前記副燃焼空間に連続的に供給し、前記一次燃焼ガス導入部から導入された前記一次燃焼ガスの流れ方向に直交する方向に、炎方向を一致させて完全燃焼させた二次燃焼炎を生成し、二次燃焼ガスを発生させる副バーナーと、前記副燃焼空間で燃焼する前記二次燃焼炎の少なくとも一部を囲んで設けられ、前記副燃焼空間に導入された前記一次燃焼ガスに対して、前記二次燃焼炎の少なくとも一部を遮蔽し、保護する保炎部とを具備する粒子状物質発生装置。

［２］ 前記保炎部は、前記一次燃焼ガスの流れ方向に直交する方向に沿って移動し、前記一次燃焼ガスに対する前記二次燃焼炎の保護領域を変化させる保護領域変化機構部を更に備える前記［１］に記載の粒子状物質発生装置。

［３］ 前記保炎部は、円筒形状を呈し、円筒空間内に前記二次燃焼炎の一部を収容する円筒保炎部である前記［１］または［２］に記載の粒子状物質発生装置。

［４］ 前記主燃焼室は、前記一次燃焼炎によって発生した前記一次燃焼ガスの一部を分流し、循環ガスとして排出する循環ガス排出部を更に有し、前記循環ガス排出部と接続し、排出された前記循環ガスを冷却する循環ガス冷却部、及び、冷却された前記循環ガスを前記主バーナーに前記一次混合燃料とともに供給し、再燃焼させる再燃焼部を有する排気再循環部を更に備える前記［１］〜［３］のいずれかに記載の粒子状物質発生装置。

［５］ 前記一次燃料及び前記二次燃料は、同一種類の燃料が使用される前記［１］〜［４］のいずれかに記載の粒子状物質発生装置。

［６］ 前記主バーナーによって発生する前記一次燃焼ガスの一次ガス流量は、前記副バーナーによって発生する前記二次燃焼ガスの二次ガス流量より大きく設定されている前記［１］〜［５］のいずれかに記載の粒子状物質発生装置。

［７］ 前記主バーナーは、前記一次燃料としてディーゼル燃料が使用され、前記一次燃焼用空気との空燃比をリーン雰囲気下に調整した前記一次混合燃料を前記主燃焼室に供給する前記［１］〜［６］のいずれかに記載の粒子状物質発生装置。

［８］ 前記主バーナーは、前記一次燃料及び前記一次燃焼用空気を理論空燃比に調整した前記一次混合燃料を前記主燃焼室に供給し、前記副バーナーは、前記二次燃料としてガソリン燃料が使用され、前記二次燃焼用空気との空燃比をリッチ雰囲気下に調整した前記二次混合燃料を前記副燃焼室に供給する前記二次燃焼ガスを発生する前記［１］〜［６］のいずれかに記載の粒子状物質発生装置。

［９］ 前記副燃焼室は、前記一次燃焼ガス導入部の導入部開口面積を変化させ、前記副燃焼空間に導入される前記一次燃焼ガスの一次ガス速度を調整するガス速度調整部を更に備える前記［１］〜［８］のいずれかに記載の粒子状物質発生装置。

本発明のＰＭ発生装置によれば、主バーナー及び副バーナーの二つのバーナーを備えることにより、主バーナーで排気ガス温度及び排気ガス流量を調整し、かつ副バーナーでＰＭを生成することが可能となる。これにより、排気ガス流量やＰＭの発生量等を主バーナー及び副バーナーでそれぞれ個別に制御することが可能となり、各パラメータの設定自由度が高くなり、幅広い試験条件（評価条件）での試験評価を行うことができる。

特に、副バーナーで燃焼する二次燃焼炎の一部を、一次燃焼ガスで吹き消すことによりＰＭを発生させるため、主バーナー及び副バーナーは、それぞれ安定した完全燃焼の状態を保持すればよく、従来のように故意に不完全燃焼の状態を創出する必要がない。そのため、周囲環境による影響を受けにくくなる。そのため、冷間始動時における評価を安定させることができるとともに、熱間状態でのＰＭの発生有無を制御することでより安定した評価を可能とすることができる。特に、ＰＭ再生除去後の熱間状態におけるＰＭ捕集初期状態を模擬的に再現することができる。係る安定したＰＭ発生条件での評価により、冷間始動時の不安定な条件における現象を十分に理解することができる。

本発明のＰＭ発生装置、及びＰＭ発生装置と接続された排気ガス浄化装置の概略構成を模式的に示す説明図である。 一次燃焼ガスによるＰＭの発生を模式的に示す説明図である。 保炎部を下方に移動させ、二次燃焼炎の保護領域を変化させた状態の一次燃焼ガスによるＰＭの発生を模式的に示す説明図である。 円筒保炎部による二次燃焼炎の保護を模式的に示す説明図である。 半円筒保炎部を利用した二次燃焼炎の保護を模式的に示す説明図である。 本発明のＰＭ発生装置、及びＰＭ発生装置と接続された別例構成の排気ガス浄化装置の概略構成を模式的に示す説明図である。

以下、図面を参照しつつ本発明の粒子状物質発生装置の実施の形態について詳述する。なお、本発明の粒子状物質発生装置は、以下の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない限りにおいて、種々の設計の変更、修正、及び改良等を加え得るものである。

本発明の一実施形態の粒子状物質発生装置１（以下、「ＰＭ発生装置１」と称す。）は、図１〜４に示すように、主燃焼室１０と、主バーナー２０と、副燃焼室３０と、副バーナー４０と、保炎部５０とを主に具備して構成されている。ＰＭ発生装置１は、主燃焼室１０と接続した排気再循環部６０を更に具備している。なお、図１において、本実施形態のＰＭ発生装置１と接続し、粒子状物質３８（以下、「ＰＭ３８」と称す。）の捕集効率等の浄化性能の評価対象となる排気ガス浄化装置７０を併せて図示している。

更に、各構成についてそれぞれ具体的に説明すると、ＰＭ発生装置１の主燃焼室１０は、内部に主燃焼空間１１を有する略筒状構造の主筐体１２で構成される。更に、主バーナー２０のバーナー先端部２１が主燃焼空間１１に突き出た状態で、当該主バーナー２０を挿入支持する主バーナー挿入支持部１３と、主バーナー挿入支持部１３と相対する方向に沿って延設され、一端が副燃焼室３０と接続し、一次燃焼ガス１４（詳細は後述する）を副燃焼室３０に導く断面テーパー形状の一次燃焼ガス流路１５と、一次燃焼ガス流路１５の途中に設けられ、一次燃焼ガス１４の一部を分流して循環ガス１６として排出するための循環ガス排出部１７とを更に備えている。更に主燃焼室１０は、主燃焼空間１１の一次燃焼炎２５の燃焼状態を調整するための調整用空気１８を供給するための調整用空気供給部１９を備えている。

ここで、主燃焼室１０の形状は、特に限定されるものではないが、例えば、全体が略横円筒形状を呈し、一次燃焼ガス流路１５が下流側に向かって截頭円筒形状とすることができる（図１参照）。これにより、一次燃焼ガス１４の流れを乱れさせることなく、副燃焼室３０に送ることができる。また、主燃焼室１０の主筐体１２及び一次燃焼ガス流路１５を構成する素材は、特に限定されるものではなく、主燃焼空間１１で生成する高温の一次燃焼炎２５及び発生する高温の一次燃焼ガス１４に耐える耐熱性の材質であればよい。

ここで、図１において、“Ｐ”は調整用空気１８、一次燃料２２、及び一次燃焼用空気２３等のそれぞれの供給圧力を計測する圧力計を示し、“Ｔ”は、調整用空気１８等のそれぞれの温度を計測する温度計、“Ｆ”は調整用空気１８等のそれぞれの流量を計測する流量計を示している。更に、“Ｇａｓ”は、一次燃焼ガス１４等の各種ガスのガス組成をモニタするガス組成モニタであり、“ＰＭ”は、粒子状物質３８（以下、「ＰＭ３８」と称す。）をモニタする粒子状物質モニタを示している（図６において同じ）。

主バーナー２０は、バーナー先端部２１の一部が前述した主燃焼空間１１に突出した状態で挿入され、主燃焼室１０の主筐体１２と接続されている。これにより、ディーゼル燃料、ガソリン燃料、或いはその他燃焼性ガス等の一次燃料２２及び一次燃焼用空気２３を所定の空燃比に調整し、混合した一次混合燃料２４をバーナー先端部２１から主燃焼空間１１に連続的に供給し、一次燃焼炎２５を生成することができる。ここで、ディーゼル燃料等の液体燃料の場合、ＳＯＦ（Ｓｏｌｕｂｌｅ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｆｒａｃｔｉｏｎ：有機可溶成分または可溶性有機成分）と呼ばれる未燃油分の発生を完全に抑制することができない可能性がある。そのため、液体燃料以外の燃焼性ガス（例えば、天然ガスやプロパンガス等）を使用することで、係るＳＯＦの発生を抑えた評価を行うことが可能となる（後述する二次燃料４２についても同様）。また、主バーナー２０に使用する噴霧ノズルのノズル径や噴霧圧力を制御することで、上記ＳＯＦの含有率を制御することが可能となる（後述する副バーナー４０についても同様）。

その結果、主燃焼空間１１に高温の一次燃焼ガス１４が発生する。このとき、一次燃焼炎２５は、空燃比（例えば、理論空燃比）が調整された一次混合燃料２４、及び、調整用空気供給部１９から供給された調整用空気１８によって適切な酸素濃度に調整されるため、完全燃焼の状態で生成される。そのため、主燃焼空間１１で発生した一次燃焼ガス１４には、一次燃焼炎２５の燃焼によってほとんどの酸素成分が消費される。すなわち、一次混合燃料２４が燃焼する際に周囲の酸素成分を奪うことにより、発生した一次燃焼ガス１４はほとんど酸素成分が含まれていない“低酸素濃度”の状態となる。

なお、主バーナー２０は、従来から周知の“ガスバーナー”を使用することが可能である。また、所定の空燃比に一次混合燃料２４を調整するための各調整手段、一次混合燃料に着火する着火手段等の構成については、図示及び説明は省略する。更に、図１において、一次燃焼炎２５の炎方向を紙面水平方向に沿ったものを示し、一次燃焼ガス１４の流れ方向をこれに一致させ、紙面左方向から右方向に進むものを示したが、これに限定されるものではない。

主バーナー２０に供給する一次燃料２２の燃料量及び一次燃焼用空気２３の空気量を調整し、かつ空燃比を適切に設定することで、一次燃焼炎２５の生成によって発生する一次燃焼ガス１４の一次ガス流量及び一次ガス温度を任意の範囲で設定することができる。ここで、一次燃焼ガス１４は、後述する排気ガス３４の大部分を占めるため、一次ガス流量及び一次ガス温度を設定することにより、排気ガス３４の排気ガス流量及び排気ガス温度の制御が可能となる。

副燃焼室３０は、主燃焼室１０の主燃焼空間１１と連通する副燃焼空間３１を内部に有する略筒状構造の副筐体３２で構成される。更に、主バーナー２０によって発生し、一次燃焼ガス流路１５を通過した一次燃焼ガス１４を当該副燃焼空間３１に導入可能な一次燃焼ガス導入部３３と、一次燃焼ガス導入部３３と相対する方向に設けられ、一端が排気ガス浄化装置７０との接続経路７１と接続し、排気ガス３４を排出するための断面略テーパー形状の排気ガス排出部３５と、一次燃焼ガス導入部３３及び排気ガス排出部３５を結んだ一次燃焼ガス１４及び排気ガス３４の流れ方向とそれぞれ直交する側に設けられ、副バーナー４０のバーナー先端部４１が副燃焼空間３１に突き出た状態で挿入支持する副バーナー挿入支持部３６とを更に備えている。副燃焼空間３１で発生したＰＭ３８を含む排気ガス３４が、排気ガス排出部３５から排出される。

副燃焼室３０の副筐体３２等の形状は、前述の主燃焼室１０と同様に特に限定されるものではなく、例えば、全体が略縦円筒形状を呈し、更に排気ガス排出部３５を断面テーパー形状の略截頭円錐形状として形成するものであっても構わない（図１参照）。また、副燃焼室３０の副筐体３２及び排気ガス排出部３５を構成する素材は、特に限定されるものではなく、主燃焼室１０と同様に、副燃焼空間３１の内部で生成する高温の二次燃焼炎３７及び発生する二次燃焼ガス３９に耐える耐熱性の材質であればよい。

副バーナー４０は、バーナー先端部４１の一部が前述の副燃焼空間３１に突出した状態で挿入され、副燃焼室３０の副筐体３２と接続されている。ＰＭ３８を発生させるためのディーゼル燃料、ガソリン燃料、或いはその他燃焼性ガス等の二次燃料４２及び二次燃焼用空気４３を所定の空燃比で調整し、混合した二次混合燃料４４を副燃焼空間３１に連続的に供給し、副燃焼空間３１で完全燃焼させることで二次燃焼炎３７を生成することができる。

その結果、副燃焼空間３１に高温の二次燃焼ガス３９が発生する。このとき、二次燃焼炎３７は、空燃比が調整された二次混合燃料４４によって完全燃焼状態で生成される。このとき、生成する二次燃焼炎３７の炎方向（図１における紙面上下方向に相当）は、主燃焼室１０から一次燃焼ガス導入部３３を経て副燃焼空間３１に流れ込んだ一次燃焼ガス１４の流れ方向（図１における紙面左方向から右方向に相当）に対して直交するように設定されている。

副バーナー４０は、前述した主バーナー２０と同様に、従来から周知の“ガスバーナー”を使用することが可能であり、その他詳細な説明及び図示等は省略する。

ここで、主バーナー２０に供給される一次燃料２２と、副バーナー４０に供給される二次燃料４２とは、同一種類であっても、或いは異なる種類の燃料であっても構わない。但し、副バーナー４０に供給される二次燃料４２は、ＰＭ３８を発生させる必要があるため、接続された排気ガス浄化装置７０，８０の評価のために、自動車エンジン等の内燃機関に使用されるものと同種のディーゼル燃料やガソリン燃料等であることが好ましい。更に、評価の目的に応じて任意に二次燃料４２を設定することができる。また、一次燃料自体は、低酸素濃度の一次ガス流量及び一次ガス温度が制御された一次燃焼ガス１４を発生させるものであれば、特に限定されるものではない。

本実施形態のＰＭ発生装置１は、副燃焼空間３１で燃焼する二次燃焼炎３７の周囲の少なくとも一部を取り囲むようにして設けられ、副燃焼空間３１に導入された一次燃焼ガス１４と二次燃焼炎３７との接触を一部遮蔽し、保護する保炎部５０を更に備えている。ここで、保炎部５０は、例えば，図４に示すように、二次燃焼炎３７の大部分を円筒空間の内部に収容し、二次燃焼炎３７の先炎部３７ａ（図２における一点鎖線参照）を上端５１から露出させる円筒状の円筒保炎部５０ａを使用することができる。

これにより、先炎部３７ａ以外の残余の二次燃焼炎３７、換言すれば、副バーナー４０のバーナー先端部４１に近接する二次燃焼炎３７の根元部分の周囲を保炎部５０（円筒保炎部５０ａ）で囲むことができる。その結果、一次燃焼ガス１４と二次燃焼炎３７とが直に接触する保護領域以外の範囲を、上記先炎部３７ａに限定することができる。

保炎部５０は、上記円筒保炎部５０ａの形状に限定されるものではなく、例えば、副燃焼空間３１における二次燃焼炎３７の上流側（一次燃焼ガス１４の流れ方向に相対する方向）に、湾曲部５２を向けた半円筒形状の半円筒保炎部５０ｂ等を使用することができる（図５参照）。すなわち、一次燃焼ガス１４と二次燃焼炎３７の全体とが直に接触することを避け、二次燃焼炎３７が全て吹き消されないような機能を有するものであれば構わない。以下、円筒保炎部５０ａを保炎部５０として使用した場合を想定して説明を行うものとする。

副燃焼空間３１において、一次燃焼ガス１４は、一次燃焼ガス導入部３３を経て、二次燃焼炎３７の炎方向に対して直交する方向から、保炎部５０の上端５１から露出した二次燃焼炎３７の先炎部３７ａに強く吹き付ける。これにより、二次燃焼炎３７の先炎部３７ａが一次燃焼ガス１４の流れ方向に沿って揺らぎ、その一部が吹き消される。

上記のような二次燃焼炎３７の一部の吹き消しを可能とするために、例えば、主バーナー２０によって発生し、二次燃焼炎３７に向かって吹き付ける一次燃焼ガス１４の一次ガス流量は、副バーナー４０によって発生する二次燃焼ガス３９の二次ガス流量よりも大きくしたり、一次ガス流量が二次ガス流量よりも少ない場合でも一次ガス速度を高くしたりすることができる。これにより、二次燃焼炎３７の一部が吹き消される。ここで、一次ガス速度を高くして、二次燃焼炎３７の吹き消しを更に可能とするために、例えば、主燃焼空間１１及び副燃焼空間３１の間の一次燃焼ガス導入部３３の開口面積を変化させ、一次燃焼ガス１４の一次ガス速度を変化させるガス速度調整部（図示しない）を設けるものであっても構わない。開口面積を狭く絞ることで、一次燃焼ガス１４の一次ガス速度が上がり、二次燃焼炎３７に勢い良く当たることとなり、吹き消しが安定して行われる。

なお、ガス速度調整部として、例えば、一次燃焼ガス導入部３３の導入部開口面積を適宜変更可能するための開口面積調整用の複数のスペーサ等を使用することができる。任意の開口面積に設定するためのスペーサを選択し、一次燃焼ガス導入部３３に取設することで、一次ガス速度の調整を図ることができる。

一次燃焼ガス１４が、保炎部５０の上端５１から露出した二次燃焼炎３７の一部と接し、吹き消されることで、副燃焼空間３１で燃焼する二次燃焼炎３７に乱れが生じ、不完全燃焼の状態となる。その結果、吹き消された先炎部３７ａからＰＭ３８が発生する。このＰＭ３８は、副燃焼空間３１に流れ込んだ一次燃焼ガス１４及び二次燃焼炎３７によって発生した二次燃焼ガス３９とともに、排気ガス３４として排気ガス排出部３５まで到達し、接続経路７１を通じて排気ガス浄化装置７０まで導かれる。

副バーナー４０によって生成し、保炎部５０によって一部を遮蔽し、保護した二次燃焼炎３７を一次燃焼ガス１４によって吹き消すことでＰＭ３８を生成することができる。すなわち、本実施形態のＰＭ発生装置１において、副バーナー４０はＰＭ３８を発生させるために使用される。これにより、ＰＭ３８のＰＭ発生量及び粒径分布を副バーナー４０によって制御することができる。

本実施形態のＰＭ発生装置１は、二次燃焼炎３７の炎方向に沿って保炎部５０を上下方向に移動させる保護領域変化機構部５３（図２〜図５の矢印参照）を更に備えている。これにより、上述した粒径分布等を細かく制御することができる。すなわち、保炎部５０の上端５１から露出する二次燃焼炎３７の先炎部３７ａの露出量を調整することができる。保炎部５０による二次燃焼炎３７の一部を遮蔽し、保護する保護領域を変化させることができる。なお、保護領域変化機構部５３は、例えば、保炎部５０をギアやモータ等の周知の機構を用いて上下方向に昇降させるものや、或いは、二次燃焼炎３７に対する保炎部５０の高さ位置を手動で切り替えることができる。

二次燃焼炎３７に対する保炎部５０の位置が変化することで、先炎部３７ａの上端５１からの露出量が変化する。そのため、一次燃焼ガス１４によって吹き消され、不完全燃焼となる二次燃焼炎３７の範囲が変化する。これにより、発生するＰＭ３８の粒径分布の調整を図ることができる。更に、副バーナー４０に供給する二次燃料４２の供給量及び二次燃焼用空気４３との空燃比を変化させることで、ＰＭ３８のＰＭ発生量を調整することができる。すなわち、副バーナー４０、保炎部５０、及び保護領域変化機構部５３によって、ＰＭ３８の発生、ＰＭ３８の粒径分布、及びＰＭ３８の発生量をそれぞれ個別に制御することができる。

前述したように、主バーナー２０による一次燃焼ガス１４の一次ガス流量と、副バーナー４０による二次燃焼ガス３９の二次ガス流量は、一次燃焼ガス１４の方が大きくなるように設定されている。そのため、これらの二つが混合した排気ガス３４における排気ガス流量及び排気ガス温度は、一次燃焼ガス１４の一次ガス流量及び一次ガス温度が大きく寄与する。一方、排気ガス３４に含まれるＰＭ３８は、副バーナー４０、保炎部５０、及び保護領域変化機構部５３によってＰＭ発生量及び粒径分布を制御できる。本実施形態のＰＭ発生装置１は、主バーナー２０及び副バーナー４０の二つのバーナーを備えることにより、排気ガス流量等の各種のパラメータをそれぞれ個別に制御することが可能となる。圧力変化に対する条件の安定性を確保することもできる。

また、主バーナー２０で排気ガス温度及び排気ガス流量を制御することができるため、ＰＭ発生装置１及び排気ガス浄化装置７０を接続した評価システム及び評価対象のＤＰＦ７６等を予め設定した温度にした状態で、ＰＭ３８の捕集を開始することが可能となるため、ＰＭ再生除去後の熱間状態におけるＰＭ捕集初期状態を模擬的に再現することができる。係る安定したＰＭ発生条件での評価により、冷間始動時の不安定な条件における現象を十分に理解することができる。

更に、本実施形態のＰＭ発生装置１は、主燃焼室１０の循環ガス排出部１７と接続し、一次燃焼ガス１４の一部を分流し、循環ガス１６として再循環させる排気再循環部６０を備えている。排気再循環部６０は、分留された高温の循環ガス１６を冷却する循環ガス冷却部６１と、循環ガス冷却部６１によって、循環ガス温度が低くなった循環ガス１６を、主バーナー２０に一次混合燃料２４とともに供給し、再燃焼させる再燃焼部６２とを備えている。なお、循環ガス冷却部６１は、周知の熱交換器を使用することができる。

すなわち、本実施形態のＰＭ発生装置１は、主バーナー２０及び主燃焼室１０に、「排気再循環（ＥＧＲ：Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）」の循環経路を備えたものである。ここで、排気再循環（ＥＧＲ）とは、自動車用エンジン等の小型内燃機関において、燃焼後の排気ガス（ここでは、一次燃焼ガス１４に相当）の一部を取り出し、再び吸気させるものであり、窒素酸化物（ＮＯ_ｘ）の低減や燃費向上等を目的として一般的に使用されるシステムである。

本実施形態のＰＭ発生装置１では、一次燃焼ガス１４の一部を循環ガス１６として主燃焼空間１１から取り出し、高温の循環ガスを循環ガス冷却部６１を通して冷却している。これにより、一次混合燃料２４とともに再燃焼のために再び主バーナー２０に供給される循環ガス１６の循環ガス温度が低くなる。

冷却された循環ガス１６は、主バーナー２０に供給される一次混合燃料２４と混合される。これにより、一次燃焼炎２５を生成する混合ガス（一次混合燃料２４＋循環ガス１６）の酸素濃度が、当該循環ガス１６によって薄められ、更に詳細に説明すれば、大気中の酸素濃度（約２１％）より少ない濃度に調整される。その結果、完全燃焼のために必要な理論空燃比に設定するための一次燃料２２の量を減少させることができ、一次燃焼炎２５の生成によって発生する熱量を抑制することが可能となる。そのため、主バーナー２０に供給される一次混合燃料２４及び循環ガス１６の混合ガス（図示しない）の全体のガス温度が低く抑えられる。このとき、循環ガス冷却部６１による循環ガス１６の冷却の度合いを調整することで、一次燃焼炎２５によって発生する一次燃焼ガス１４の一次ガス温度の温度範囲の調整を図ることができる。すなわち、上記排気再循環部６０を備えることにより、一次燃焼ガス１４の一次ガス温度の調整範囲を広くとることができ、温度パラメータの設定自由度が広くなる。すなわち、一次燃焼ガス１４の一次ガス温度の影響を強く受ける排気ガス３４のガス温度を広い範囲で調整することができる。更に、一次燃焼ガス１４中のＮＯｘの量を制御することもできる。

更に、主バーナー２０に供給する一次混合燃料２４の空燃比の調整、一次燃焼ガス１４から分流する循環ガス１６の比率（分流比）を変化させることで、一次燃焼ガス１４の一次ガス温度の調整、及び一次ガス成分の組成をより精細に制御することができる。なお、前述した通り、最も低酸素濃度の状態となる「理論空燃比」に設定することができるとともに、一次燃料２２の多い「リッチ側」及び一次燃料２２の少ない「リーン側」の条件にもそれぞれ設定することができる。これらのパラメータの設定は、主バーナー２０による一次燃焼ガス１４の一次ガス流量及び一次ガス圧力と独立して制御することができる。ここで、排気再循環部６０による循環ガス１６の再循環処理は必須構成ではなく、一次燃焼ガス１４の一次ガス温度の調整範囲が狭い場合には使用しなくても構わない。

排気ガス浄化装置７０は、従来から周知の構成を採用することができる。例えば、図１等に示すように、複数の格子状の隔壁を有するセラミックス製のハニカム構造体で形成されたＤＰＦ７６（またはＧＰＦ）を金属筐体７２にキャニングし、ガス導入部７３を本実施形態のＰＭ発生装置１と接続経路７１を介して接続したものを使用することができる。これにより、ＰＭ発生装置１で発生したＰＭ３８を含む排気ガス３４は、ガス導入部７３を経て、ＤＰＦ７６によってＰＭ３８が捕集され、浄化ガス７４がガス排出部７５から排出される。ここで、ガス導入部７３に導入される前後でのガス成分及び含まれるＰＭ成分がモニタされ、更にＤＰＦ７６の通過前後の圧力損失（ｄＰ）が計測される。

更に、本実施形態のＰＭ発生装置１は、ディーゼル燃料を使用した選択的還元触媒を利用した排気ガス浄化装置８０の評価装置、或いは、ガソリン燃料を使用したＧＰＦを利用した排気ガス浄化装置（図示しない）の評価装置として使用することができる。

更に具体的に説明すると、ディーゼル燃料を一次燃料２２として主バーナー２０に供給し、高温、かつリーン雰囲気下（理論空燃比よりも酸素過剰雰囲気下）で一次燃焼炎２５を生成することにより、窒素酸化物（ＮＯ_ｘ）を含んだ一次燃焼ガス１４を発生することができる。ここで、窒素酸化物の発生量、ＮＯ／ＮＯ_２比は、それぞれ排気再循環部６０及び副バーナー４０、更に評価対象の選択的還元触媒（ＳＣＲ）を塗布したセラミックス製のハニカム構造体で構成されるハニカム触媒体８６の上流側に配置されたディーゼル酸化触媒８７（ＤＯＣ：Ｄｉｅｓｅｌ Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ Ｃａｔａｌｙｓｔ）によって調整することができる。

ここで、ハニカム触媒体８６は金属筐体８２にキャニングされ、ガス導入部８３が本実施形態のＰＭ発生装置１と接続経路８１を介して接続されている。これにより、ＰＭ発生装置１で発生したＰＭ３８を含む排気ガス３４は、ガス導入部８３を経て、ハニカム触媒体８６によって排気ガス３４中の窒素酸化物等のガス成分が浄化され、ＰＭ３８が捕集される。その後、浄化ガス８４がガス排出部８５から排出される。すなわち、本実施形態のＰＭ発生装置１を選択的還元触媒を利用した排気ガス浄化装置８０の評価装置として使用することができる。

一方、ガソリン燃料を二次燃料４２として副バーナー４０に供給し、高温、かつリッチ雰囲気下（理論空燃比よりも燃料過剰雰囲気下）で二次燃焼炎３７を生成することにより、一酸化炭素（ＣＯ）及び炭化水素（ＨＣ）を含んだ二次燃焼ガス３９を発生することができる。ここで、一酸化炭素及び炭化水素の発生量は、排気再循環部６０及び副バーナー４０を用いて調整することができる。なお、使用する二次燃料４２をガソリン燃料とすることにより、副バーナー４０のノズル部分の交換が必要となることがある。この場合、主バーナー２０は理論空燃比で一次燃焼炎２５及び一次燃焼ガス１４を生成及び発生させる。これにより、一酸化炭素及び炭化水素の発生を制御するとともに、ＰＭ３８を併せて発生させることができる。上記条件下でＰＭ３８を発生させることにより、ガソリン燃料を使用した場合の三元触媒（ＴＷＣ）などの触媒コート処理を施したＧＰＦを利用した排気ガス浄化装置（図示しない）を評価する評価装置として、本発明のＰＭ発生装置を使用することができる。

以上説明したように、本発明のＰＭ発生装置１によれば、主バーナー２０及び副バーナー４０の二つのバーナーを備えることにより、当該ＰＭ発生装置１で発生させる排気ガス３４の排気ガス流量、排気ガス温度、ＰＭ発生量、及びＰＭ３８の粒径分布等の各種パラメータを個別に制御することができる。更に排気再循環部６０により、主バーナー２０によって発生させる一次燃焼ガス１４の一次ガス温度を幅広く設定することができる。これにより、排気ガス浄化装置７０，８０等の評価を安定した条件で精度良く行うことができる。

更に、主バーナー２０に供給する一次混合燃料２４、或いは副バーナー４０に供給する二次混合燃料４４の空燃比をリーン雰囲気下或いはリッチ雰囲気下に変更することで、窒素酸化物や一酸化炭素、或いは炭化水素を発生させ、使用するディーゼル燃料やガソリン燃料に応じた排気ガス浄化装置７０，８０の評価装置として使用することができる。すなわち、各種パラメータの設定自由度を広くし、幅広い条件で浄化性能等を評価することができる。

本発明のＰＭ発生装置は、セラミックス製のハニカム構造体等のＤＰＦやＧＰＦ、その他各種フィルタを用いて構成された排気ガス浄化装置や微粒子捕集フィルタの浄化性能を評価する際の評価試験設備として使用することができる。

１：ＰＭ発生装置（粒子状物質発生装置）、１０：主燃焼室、１１：主燃焼空間、１２：主筐体、１３：主バーナー挿入支持部、１４：一次燃焼ガス、１５：一次燃焼ガス流路、１６：循環ガス、１７：循環ガス排出部、１８：調整用空気、１９：調整用空気供給部、２０：主バーナー、２１：バーナー先端部、２２：一次燃料、２３：一次燃焼用空気、２４：一次混合燃料、２５：一次燃焼炎、３０：副燃焼室、３１：副燃焼空間、３２：副筐体、３３：一次燃焼ガス導入部、３４：排気ガス、３５：排気ガス排出部、３６：副バーナー挿入支持部、３７：二次燃焼炎、３７ａ：先炎部、３８：粒子状物質、３９：二次燃焼ガス、４０：副バーナー、４１：バーナー先端部、４２：二次燃料、４３：二次燃焼用空気、４４：二次混合燃料、５０：保炎部、５０ａ：円筒保炎部（保炎部）、５０ｂ：半円筒保炎部（保炎部）、５１：上端、５２：湾曲部、５３：保護領域変化機構部、６０：排気再循環部、６１：循環ガス冷却部、６２：再燃焼部、７０，８０：排気ガス浄化装置、７１，８１：接続経路、７２，８２：金属筐体、７３，８３：ガス導入部、７４，８４：浄化ガス、７５，８５：ガス排出部、７６：ＤＰＦ、８６：ハニカム触媒体、８７：ディーゼル酸化触媒。

Claims (9)

1. 主燃焼空間を内部に有する主燃焼室と、
   一次燃料及び一次燃焼用空気を所定の空燃比に調整し、混合した一次混合燃料を、前記主燃焼空間に連続的に供給し、完全燃焼させた一次燃焼炎を生成し、一次燃焼ガスを発生させる主バーナーと、
   前記主燃焼室の前記主燃焼空間と連通する副燃焼空間を内部に有し、発生した前記一次燃焼ガスを前記副燃焼空間に導入可能な一次燃焼ガス導入部、及び、前記副燃焼空間から排気ガスを排出するための排気ガス排出部を有する副燃焼室と、
   二次燃料及び二次燃焼用空気を所定の空燃比に調整し、混合した二次混合燃料を、前記副燃焼空間に連続的に供給し、前記一次燃焼ガス導入部から導入された前記一次燃焼ガスの流れ方向に直交する方向に、炎方向を一致させて完全燃焼させた二次燃焼炎を生成し、二次燃焼ガスを発生させる副バーナーと、
   前記副燃焼空間で燃焼する前記二次燃焼炎の少なくとも一部を囲んで設けられ、前記副燃焼空間に導入された前記一次燃焼ガスに対して、前記二次燃焼炎の少なくとも一部を遮蔽し、保護する保炎部と
   を具備する粒子状物質発生装置。
2. 前記保炎部は、
   前記一次燃焼ガスの流れ方向に直交する方向に沿って移動し、前記一次燃焼ガスに対する前記二次燃焼炎の保護領域を変化させる保護領域変化機構部を更に備える請求項１に記載の粒子状物質発生装置。
3. 前記保炎部は、
   円筒形状を呈し、円筒空間内に前記二次燃焼炎の一部を収容する円筒保炎部である請求項１または２に記載の粒子状物質発生装置。
4. 前記主燃焼室は、
   前記一次燃焼炎によって発生した前記一次燃焼ガスの一部を分流し、循環ガスとして排出する循環ガス排出部を更に有し、
   前記循環ガス排出部と接続し、排出された前記循環ガスを冷却する循環ガス冷却部、及び、冷却された前記循環ガスを前記主バーナーに前記一次混合燃料とともに供給し、再燃焼させる再燃焼部を有する排気再循環部を更に備える請求項１〜３のいずれか一項に記載の粒子状物質発生装置。
5. 前記一次燃料及び前記二次燃料は、
   同一種類の燃料が使用される請求項１〜４のいずれか一項に記載の粒子状物質発生装置。
6. 前記主バーナーによって発生する前記一次燃焼ガスの一次ガス流量は、
   前記副バーナーによって発生する前記二次燃焼ガスの二次ガス流量より大きく設定されている請求項１〜５のいずれか一項に記載の粒子状物質発生装置。
7. 前記主バーナーは、
   前記一次燃料としてディーゼル燃料が使用され、
   前記一次燃焼用空気との空燃比をリーン雰囲気下に調整した前記一次混合燃料を前記主燃焼室に供給する請求項１〜６のいずれか一項に記載の粒子状物質発生装置。
8. 前記主バーナーは、
   前記一次燃料及び前記一次燃焼用空気を理論空燃比に調整した前記一次混合燃料を前記主燃焼室に供給し、
   前記副バーナーは、
   前記二次燃料としてガソリン燃料が使用され、前記二次燃焼用空気との空燃比をリッチ雰囲気下に調整した前記二次混合燃料を前記副燃焼室に供給する前記二次燃焼ガスを発生する請求項１〜６のいずれか一項に記載の粒子状物質発生装置。
9. 前記副燃焼室は、
   前記一次燃焼ガス導入部の導入部開口面積を変化させ、前記副燃焼空間に導入される前記一次燃焼ガスの一次ガス速度を調整するガス速度調整部を更に備える請求項１〜８のいずれか一項に記載の粒子状物質発生装置。

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