JP4220931B2 - 内燃機関の排気再燃焼装置 - Google Patents

Description

本発明は内燃機関の排気再燃焼装置に関するものである。

下記特許文献１には、ガスタービン等の内燃機関で発生した高温の排気ガスを利用してボイラで蒸気を生成する、コージェネレーションシステムに関する技術が開示されている。

この技術では、コージェネレーションシステムの蒸気発生能力を向上させるため、内燃機関の排気通路に再燃焼装置を設け、再燃焼装置のバーナーによって排気ガスと燃料との混合ガスを燃焼することで、排気ガスの熱エネルギーを増大させている。

一方、排気ガスを再燃焼させる技術は、コージェネレーションシステムだけでなく、舶用機関や作業機などの原動機として利用されるディーゼルエンジンにも用いられている。

この場合、負荷投入時や加速時などに再燃焼装置により排気ガスを燃焼し、排気ガスで駆動される過給機のタービンに与えるエネルギーを増大することでエンジン性能を向上させることができ、また、排気ガスに含まれる黒鉛等の有害物質を除去することができる。

ところで、上記のように再燃焼装置によって排気ガスを燃焼するには、排気ガスが高温であることと、ある程度の濃度の酸素が残存していることが必要とされる。

しかし、内燃機関における排気ガスの残存酸素濃度は１０〜１６％と低く、残存酸素濃度が低いと、バーナーの火炎を保持し、安定的に燃焼を持続させることが困難になる。また、残存酸素濃度と排気ガスの温度とが共に低い場合には、より一層安定的に燃焼を持続させることが困難になる。

このような問題を解消する技術として、特許文献１では、バーナーに供給される内燃機関の排気ガスを、バーナーの燃料と直接混合して一次火炎を形成する一次排気と、その一次火炎の下流側に供給される２次排気とに分割し、２次排気を一次火炎と接触させて燃焼させることで、安定した燃焼を確保する方法が採用されている。

また、特に条件が厳しい場合（排気温度、残存酸素濃度がともに低い場合）には、ブロワによって供給した空気を混合させることで残存酸素濃度が高められた排気と、過剰な燃料とで一次火炎を形成し、その一次火炎の下流に排気ガスを接触させることで、安定した燃焼を確保する方法もある。

その他にも、排気ガス流中に遮蔽板などを設け、排気ガス流の一部を遮断することで流速の遅い逆流領域を生成させ、そこで火炎を維持する方法や、旋回羽根等により排気ガス流に旋回成分を与え、循環領域を生成して火炎を維持する方法等も、安定燃焼を確保する方法として従来から知られている。

特開平９−７２５０４号公報

以上のような従来の各方法は、排気ガスの残存酸素濃度が１０〜１６％程度の場合にはそれなりに有効であるが、例えば、舶用機関等の原動機における負荷投入時や加速時には、残存酸素濃度が１０％以下になる条件もあり、このような条件下では、内燃機関の全運転範囲において燃焼を安定的に持続させることが困難である。

また、ブロワにより供給した空気を混合させることで残存酸素濃度が高められた排気と過剰燃料とで形成した一次火炎の下流に排気ガスを接触させる従来の方法では、排気ガスの残存酸素濃度が低くなるに伴い必要な空気量が増加する傾向にあるため、ブロワのファン動力の増加や熱回収効率の低下などの新たな問題が発生する。

本発明は、以上の問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、排気ガスの残存酸素濃度が低い場合でも、バーナーによる燃焼を安定的に維持することができる、内燃機関の排気再燃焼装置を提供することにある。

請求項１記載の発明は、内燃機関の排気通路４に再燃焼室８を備え、再燃焼室８に、排気通路４からの排気ガスと燃料供給管１５からの燃料との混合ガスを燃焼する主バーナー部９を備えている内燃機関の排気再燃焼装置において、再燃焼室８に、主バーナー部９とは独立して副バーナー部１０を備え、前記副バーナー部１０は、空気供給管２０と前記主バーナー部９の燃料供給管１５とは別の燃料供給管２１からなると共に、空気供給管２０からの空気と前記別の燃料供給管２１からの燃料との混合ガスを燃焼する副バーナー部１０であり、主バーナー部９と副バーナー部１０とは、それぞれの火炎が互いに接触するように配置されていることを特徴とする。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、副バーナー部１０は、燃料供給管２１の先端開口を空気供給管２０の先端開口から後退した位置に配置することにより、燃料供給管２１の先端開口から空気供給管２０の先端開口までの間の空気供給管２０内に、空気と燃料とが前記主バーナー部９からの排気ガスの干渉を受けない燃焼空間２３を有していることを特徴とする。

請求項１記載の発明によれば、副バーナーに供給される空気及び燃料は、主バーナー部とは独立して制御することができるので、内燃機関の排気ガスの状態に影響されず常に最適な燃焼状態を得ることができる。よって、排気ガスの残存酸素濃度が１０％以下になっても燃焼を安定的に持続することができる。また、副バーナー部は、再燃焼室内での燃焼状態を維持すれば足りるため、少量の空気と燃料を供給すればよく、空気をブロワ等により供給する場合のファン動力の増加や熱回収効率の低下を抑制することができる。

請求項２記載の発明によれば、副バーナー部は、供給された空気と燃料とが排気ガスの干渉を受けない燃焼空間を有しているため、全運転範囲で確実に火炎を保持でき、より一層安定した燃焼状態を得ることができる。

〔第１の実施形態〕
図１は、本発明の第１の実施形態に係る排気再燃焼装置を採用したコージェネレーションシステムのブロック図である。図１中の符号２は、ディーゼルエンジン、ガスエンジン、又はガスタービン等の内燃機関である。この内燃機関２には発電機３が接続され、該発電機３は内燃機関２の出力によって駆動される。内燃機関２の排気通路４には、排気ガス又は空気と、燃料との混合ガスを燃焼し、排気ガスを加熱する再燃焼装置５が配置されている。

再燃焼装置５の下流側には、排熱回収ボイラよりなる熱交換器６が隣接して配置され、熱交換器６には、再燃焼装置５により加熱された排気ガスが供給される。熱交換器６は、給水管７を介して供給された水を排気ガスにより加熱して蒸気を生成し、生成された蒸気は、給湯装置や冷暖房装置、又は発電機等を駆動する蒸気タービン等の機器２５に供給される。

図２は、再燃焼装置５を拡大して示すブロック図であり、再燃焼装置５は、再燃焼室８と、再燃焼室８内で火炎Ｆ１，Ｆ２を形成するバーナー部９，１０とを備えている。バーナー部は、主バーナー部９と副バーナー部１０とからなり、主バーナー部９は、排気ガスを供給する排気供給部１１と、燃料を供給する燃料供給部１２とを備えている。

排気供給部１１は、排気通路４を形成する排気供給管１３と、再燃焼室８に対する排気供給管１３の接続部分で再燃焼室８の壁に開口された排気供給口１４とを有する。燃料供給部１２は、少なくとも先端部が排気供給管１３内に配置され、燃料を流通させる燃料供給管１５と、この燃料供給管１５の先端に設けられ、燃料を吐出するバーナーノズル１６とを有する。バーナーノズル１６は排気供給口１４の中央に配置されている。

排気供給口１４のバーナーノズル１６周りには、多数の旋回羽根１７が設けられている。図３は、旋回羽根１７の側面図、図４は同平面図であり、多数の旋回羽根１７は、バーナーノズル１６を中心に放射線状に設けられ、各旋回羽根１７は同じ方向に湾曲又は傾斜されている。排気通路４を流れる排気ガスは、排気供給口１４で旋回羽根１７を通過することによって旋回成分が与えられ、循環領域が形成される。また、図２に示すように、再燃焼室８内の排気供給口１４周りには、排気供給口１４から流出した排気ガスが拡散するのを防止する導流筒２４が設けられている。

副バーナー部１０は、主バーナー部９とは独立して備えられており、空気を供給する空気供給部１８と燃料を供給する燃料供給部１９とを有している。空気供給部１８は、空気が流通する空気供給管２０を備え、該空気供給管２０は、再燃焼室８の壁を貫通して再燃焼室８内に突出し、その先端の開口２０Ａが再燃焼室８内に配置されている。

燃料供給部１９は、少なくとも先端部が空気供給管２０内に配置され、燃料を流通させる燃料供給管２１と、燃料供給管２１の先端に設けられ、燃料を吐出するバーナーノズル２２とを有している。バーナーノズル２２は、空気供給管２０の先端開口２０Ａから後退した位置に配置され、バーナーノズル２２から空気供給管２０の先端開口２０Ａまでの間の空気供給管２０内の空間は、空気と燃料の混合ガスを燃焼させる燃焼空間２３とされている。

副バーナー部１０の空気供給管２０及び燃料供給管２１は、主バーナー部９の排気供給管１３及び燃料供給管１５よりも細く形成され、副バーナー部１０は、主バーナー部９に比べて少量の混合ガスにて火炎Ｆ２を形成するようになっている。

主バーナー部９及び副バーナー部１０の各燃料供給部１２，１９は、内燃機関２用の燃料を各燃料供給管１５，２１を介して供給するものとしてもよいし、別に用意された燃料を供給するものとしてもよい。副バーナー部１０の空気供給部１８は、内燃機関２の給気用の空気を空気供給管２０を介して供給するものとしてもよいし、別途備えたブロワ等の送風装置（給気装置）により空気を供給するものとしてもよい。

主バーナー部９は、図２に示す例では、再燃焼室８の１つの壁８Ａに対して設けられ、下方に指向されている。これに対して、副バーナー部１０は、主バーナー部９と同じ再燃焼室８の壁８Ａに主バーナー部９と間隔をおいて設けられている。そして、副バーナー部１０は、先端側が主バーナー部９に近づくように斜め下方に指向されており、このような配置によって、主バーナー部９で形成された火炎Ｆ１と副バーナー部１０で形成された火炎Ｆ２とが互いに接触可能となっている。

〔作用〕
以上の構成を備えた排気再燃焼装置５の作用を説明する。再燃焼装置５の主バーナー部９は、内燃機関２が駆動している間、排気供給部１１から供給された排気ガスと、燃料供給部１２から供給された燃料との混合ガスを再燃焼室８で燃焼し、火炎Ｆ１を形成する。

一方、副バーナー部１０は、空気供給部１８から供給された空気と、燃料供給部１９から供給された燃料との混合ガスを燃焼し、火炎Ｆ２を形成する。この火炎Ｆ２は、空気供給管２０内の燃焼空間２３で形成され、空気供給管２０の先端開口２０Ａから突出して主バーナー部９の火炎Ｆ１と接触する。副バーナー部１０では、主バーナー部９とは独立して常に一定の空気と燃料とが供給され、主バーナー部９に影響されることなく安定した燃焼が維持される。

主バーナー部９に供給される排気ガスの残存酸素濃度が低く（例えば、１０パーセント以下）、主バーナー部９により形成される火炎Ｆ１が不安定になった場合は、副バーナー部１０の火炎Ｆ２が安定的に維持され且つ副バーナー部１０の火炎Ｆ２が主バーナー部９の火炎Ｆ１に接触する関係にあるため、副バーナー部１０の火炎Ｆ２を所謂”種火”として利用して、主バーナー部９に供給される排気ガスと燃料とを燃やすことで、主バーナー部９の火炎Ｆ１を維持することが可能となっている。

副バーナー部１０は、空気供給管２０内に燃焼空間２３を有しているため、供給された空気と燃料とが、排気供給口１３から再燃焼室８に流入する排気ガスに干渉されることはほとんどなく、副バーナー部１０による安定した火炎Ｆ２の形成が確保されている。

また、主バーナー部９に供給される排気ガスは、旋回羽根１７を通過することによって旋回成分が与えられ、これによって循環領域が形成されるため、火炎Ｆ１の保持効果が発揮される。

副バーナー部１０は、再燃焼室８内での燃焼状態を維持すれば足りるため、少量の空気と燃料を供給すればよく、空気をブロワ等により供給する場合のファン動力の増加や熱回収効率の低下を抑制することができる。

〔第２の実施形態〕
図５は、本発明の第２実施形態に係る排気再燃焼装置５を示すブロック図である。本実施形態では、主バーナー部９が設けられている再燃焼室８の壁８Ａと直交する壁８Ｂに副バーナー部１０が設けられている。主バーナー部９と副バーナー部１０とは互いに直交する方向に指向し、それぞれの火炎Ｆ１，Ｆ２は互いに接触するようになっている。その他の構成及び作用効果は第１実施形態と同様である。

本発明は、以上に説明した各実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲内において適宜設計変更できるものである。例えば、副バーナー部１０において、空気供給部１８や燃料供給部１９から供給される空気や燃料の流量は、調量弁等によって調整可能に構成することができる。この場合、主バーナー部９の火炎Ｆ１の状態に応じて調量弁を制御するようにしてもよい。主バーナー部９及び副バーナー部１０の数や、再燃焼室８に対する取付位置等についても適宜設計変更可能である。旋回羽根１７の代わりに、排気ガス流を一部遮蔽する遮蔽板を設けることによって、火炎を維持する役割を果たすことも可能である。また、本発明は、ディーゼルエンジンの排気ガスのように残存酸素濃度が低く、再燃焼の条件が厳しい場合に特に有効である。

本発明は、コージェネレーションシステムに用いられる内燃機関の排気再燃焼装置や、舶用機関、作業機等に用いられる内燃機関の排気再燃焼装置等に利用することができる。

本発明の第１実施形態に係る内燃機関の排気再燃焼装置を採用したコージェネレーションシステムのブロック図である。 排気再燃焼装置のブロック図である。 旋回羽根の平面図である。 旋回羽根の側面図である。 第２の実施形態に係る排気再燃焼装置のブロック図である。

符号の説明

２ 内燃機関
４ 排気通路
５ 再燃焼装置
８ 再燃焼室
９ 主バーナー部
１０ 副バーナー部
２３ 燃焼空間

Claims (2)

1. 内燃機関の排気通路（４）に再燃焼室（８）を備え、再燃焼室（８）に、排気通路（４）からの排気ガスと燃料供給管（１５）からの燃料との混合ガスを燃焼する主バーナー部（９）を備えている内燃機関の排気再燃焼装置において、
   再燃焼室（８）に、主バーナー部（９）とは独立して副バーナー部（１０）を備え、
   前記副バーナー部（１０）は、空気供給管（２０）と前記主バーナー部（９）の燃料供給管（１５）とは別の燃料供給管（２１）からなると共に、空気供給管（２０）からの空気と前記別の燃料供給管（２１）からの燃料との混合ガスを燃焼する副バーナー部（１０）であり、
   主バーナー部（９）と副バーナー部（１０）とは、それぞれの火炎が互いに接触するように配置されていることを特徴とする排気再燃焼装置。
2. 副バーナー部（１０）は、燃料供給管（２１）の先端開口を空気供給管（２０）の先端開口から後退した位置に配置することにより、燃料供給管（２１）の先端開口から空気供給管（２０）の先端開口までの間の空気供給管（２０）内に、空気と燃料とが前記主バーナー部（９）からの排気ガスの干渉を受けない燃焼空間（２３）を有していることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気再燃焼装置。

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