JP5313732B2

JP5313732B2 - 排気ガス発生装置及び排気ガス発生方法並びにセラミックス構造体評価装置

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Publication number: JP5313732B2
Application number: JP2009064457A
Authority: JP
Inventors: 恵介川口; 武義川原; 博之矢野; 俊彦土方
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2009-03-17
Filing date: 2009-03-17
Publication date: 2013-10-09
Anticipated expiration: 2029-03-17
Also published as: JP2010217008A

Description

本発明は、ＤＰＦや触媒担体等に利用されるセラミックス構造体の耐熱衝撃性ないし耐久性を評価するために高温の排気ガスを発生させる排気ガス発生装置、及びそれを用いた排気ガス発生方法、並びに排気ガス発生装置を含むセラミックス構造体評価装置に関する。

各種の内燃機関等から排出される排気ガス中の微粒子や有害物質は、人体、環境への影響が大きく、これらの大気への放出を防止する必要性が高まっている。特にディーゼルエンジンから排出される粒子状物質（ＰａｒｔｉｃｕｌａｔｅＭａｔｔｅｒ（ＰＭ））やＮＯ_Ｘ（窒素酸化物）等は影響が甚大であり、それらにかかる規制は世界的に強化されている。

このような状況の下、ＰＭを除去するためのフィルタ（ＤｉｅｓｅｌＰａｒｔｉｃｕｌａｔｅＦｉｌｔｅｒ（ＤＰＦ））やＮＯ_Ｘを窒素と水に還元するため等に有用な触媒を備えた排気ガス浄化装置の研究・開発が進められ、現在では、高性能な浄化装置が市場に提供されるようになっている。

ところが、その排気ガス浄化装置を試験し、その性能や耐久性を、正確に高い精度で評価する手段は提案されていない、というのが現状である。又、このような技術に関連する先行文献も多くはない。

このような現状を打破すべく、先に、本願出願人は、特許文献１，２にかかる技術を開発し、これを開示している。これらにより、排気ガス浄化装置を評価するために、実際のディーゼルエンジン等から排出される排気ガスを模擬した排気ガスを、安定的に供給することが可能になっている。

特開２００７−１５５７１２号公報特開２００７−１５５７０８号公報

しかし、排気ガス浄化装置を構成するＤＰＦや触媒の担体として、セラミックス構造体（特にセラミックス製のハニカム構造体）が多用されているところ、そのセラミックス構造体の耐熱衝撃性、耐久性を評価には、高温の排気ガスを発生させ、これをセラミックス構造体に供給して試験する必要がある。本願出願人の開示した特許文献１，２に係る技術は、このような要望に応えられているとはいえない。

又、内燃機関から排出される高温の排気ガスをそのまま利用する手段が考えられるが、その排気ガスをセラミックス構造体に供給して試験したとしても、セラミックス構造体（ハニカム構造体）の破壊レベルを確認するために十分な温度は得られない。

これに対し、図２に示されるようなセラミックス構造体評価装置がある。図２に示されるセラミックス構造体評価装置２は、排気ガス発生装置２１と、その排気ガス発生装置２１で発生させた排気ガスの出口側に接続された評価試料を収納するためのサンプルホルダ２２と、からなるものであり、このうちの排気ガス発生装置２１は、送風機で燃焼エアを、内部が耐熱性、断熱性の高い耐火レンガ（あるいは耐火タイル等）で被覆された燃焼室に送るとともに、燃焼室の手前で、ＬＰ（液化プロパン）ガス、天然ガス、都市ガス等の燃料を、バーナで燃焼エアに混合し、高温で燃焼炎色が青色の完全燃焼（青炎燃焼）をさせ、排気ガスを発生させる装置である。完全燃焼（青炎燃焼）させるのは、燃焼温度が高く、ＣＯ等の未燃焼ガスが少ないからである。換言すれば、高温の排気ガスを効率よく得ることが出来、ＣＯ等の未燃焼ガスがセラミック構造体の内部で燃焼し高温となってクラック、溶損を生ずる問題を回避出来るからである。

ところが、排気ガス発生装置２１を用いると、長い間には、評価試料であるセラミックス構造体（ハニカム構造体）の入口側端面に衝突し、エロージョンを生じることがある。これは、燃焼熱によりレンガ（あるいはタイル等）が劣化し、チッピング、欠けを生じて、排気ガスの流れにより飛散するため、と考えられる。即ち、排気ガス発生装置２１では、長期間、安定して、セラミックス構造体の耐熱衝撃性、耐久性を評価することは困難である。

又、青炎燃焼は、安定燃焼範囲が狭く、温度条件を調節するために燃料を増減すると、空気過剰率λが変動して燃焼が不安定となり、評価試料の入口温度に乱れを生ずる場合がある。そして、空気過剰率λの変動による温度の乱れを調整するため、排気ガス発生装置２１では、燃焼エアの合計量は一定のまま、一部の燃焼エアを、手動流量調節バルブを経て分岐し、燃焼室をバイパスさせているが、そうすると、温度上昇に伴い評価試料であるセラミックス構造体の圧力損失が増加し、燃焼エアの流量が変動して、温度の乱れを十分に調整出来ないことがある。又、バイパスのための手動流量調節バルブの開度によっては、排気ガスの流れが評価試料入口端面で偏よってしまい、セラミックス構造体の評価結果にバラツキを生ずる場合がある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、その課題は、排気ガス浄化装置を構成するセラミックス構造体（ハニカム構造体）の耐熱衝撃性、耐久性を評価するのに適切な排気ガスを、長期にわたり安定して供給するために好適な手段を提供することである。研究が重ねられた結果、以下に示す手段により、上記課題を解決し得ることが見出された。

即ち、先ず、本発明によれば、燃料と燃焼エアとの混合を行いその混合をされた混合気（燃料が混合された燃焼エア）の燃焼をさせて排気ガスを発生させる燃焼空間、燃焼エアを受け入れる燃焼エア入口、及び、発生させた排気ガスを送出する排気ガス出口、を有し、金属材料で形成されている燃焼室と、燃焼エアを燃焼室へ供給する燃焼エア供給系（燃焼エア供給配管）と、燃焼エアの流量を調節するために燃焼エア供給系に設けられる燃焼エア流量制御手段（燃焼エア流量調節バルブ）と、燃焼室へ燃料を噴射するメインバーナと、混合気を着火するパイロットバーナと、を具備する排気ガス発生装置が提供される。燃焼エアとは、燃焼用エアであり、燃料を燃焼させるためのエアである。

本発明に係る排気ガス発生装置においては、燃焼室の断面形状が円形であり、メインバーナの燃料を噴射する孔の位置が、燃焼室（の内壁）から、燃焼室の内径の１２％以上離れていることが好ましい。メインバーナの燃料を噴射する孔の位置は、燃焼室（の内壁）から、燃焼室の内径の２０％以上離すことが、より好ましい。

本発明に係る排気ガス発生装置において、燃料としては、例えば、ＬＰ（液化プロパン）ガス、天然ガス、都市ガス等を使用することが出来る。

本発明に係る排気ガス発生装置において、燃焼エアの圧力は、１００ｋＰａ以上、８００ｋＰａ以下、あることが好ましい。燃焼エアの圧力は、２００ｋＰａ以上、７００ｋＰａ以下、であることが、より好ましい。このように高圧であれば、燃焼エアの流量の制御性（追従性）が高まり、安定燃焼、失火防止に資する。又、本発明に係る排気ガス発生装置において、メインバーナは、燃料の流量が電子制御されるものであり、メインバーナに供給される燃料の圧力は、５０ｋＰａ以上、３００ｋＰａ以下、あることが好ましい。メインバーナに供給される燃料の圧力は、１５０ｋＰａ程度であることが、より好ましい。このように高圧であれば、燃料の流量の制御性（追従性）が高まり、安定燃焼、失火防止に資する。更に、本発明に係る排気ガス発生装置において、パイロットバーナは、燃料及び点火用エア（圧縮エア）が電子制御されるものであり、パイロットバーナに供給される燃料の圧力は、５０ｋＰａ以上、３００ｋＰａ以下、あることが好ましい。パイロットバーナに供給される燃料及び点火用エア（圧縮エア）の圧力は、２００ｋＰａ程度であることが、より好ましい。このように高圧であれば、燃料及び点火用エアの流量の制御性（追従性）が高まり、安定燃焼、失火防止に資する。従来、燃焼エアを送風機より供給する場合には、その圧力が低いことから、評価途中で失火が起こる場合があり、特に、評価試料であるセラミックス構造体のうち、断面の小さいもの、高いセル密度のもの（触媒担体として利用されるもの）、ススが堆積して圧損の高くなるもの（ＤＰＦ）等を評価すると、燃焼エアや燃料の量が不足して、着火が不安定になり易いが、本発明によれば、このような問題を回避出来る。

本発明に係る排気ガス発生装置においては、上記金属材料が、ニッケル合金であることが好ましい。ニッケル合金として具体的には、インコネル６００、インコネル６０１（ともに商品名）を挙げることが出来る。

本発明に係る排気ガス発生装置において、材料は、燃焼室以外の部分も、排気ガスと接触する部分は全て金属であることが好ましい。

本発明に係る排気ガス発生装置においては、発生させた排気ガスに二次エアを混合する二次エア混合系（二次エア混合管）と、二次エアを二次エア混合系へ供給する二次エア供給系（二次エア供給配管）と、二次エアの流量を調節するために二次エア供給系に設けられる二次エア流量制御手段（二次エア流量制御バルブ）と、を具備することが好ましい。

次に、本発明によれば、上記した何れかの排気ガス発生装置と、その排気ガス発生装置に接続される、評価試料としてのセラミックス構造体を収納するサンプルホルダを具備し、排気ガス発生装置からの排気ガスの供給によってセラミックス構造体の評価を行うセラミックス構造体評価装置が提供される。

本発明に係るセラミックス構造体評価装置においては、燃焼室の排気ガス出口の側で冷却エアを混合する冷却エア混合系（冷却エア混合管）と、冷却エアを冷却エア混合系へ供給する冷却エア供給系（冷却エア供給配管）と、冷却エアの流量を調節するために冷却エア供給系に設けられる冷却エア流量制御手段（冷却エア流量調節バルブ）と、を具備することが好ましい。

本発明に係るセラミックス構造体評価装置においては、冷却エア混合系は、（本発明に係る排気ガス発生装置部分の）二次エア混合系と、共用してもよい。

次に、本発明によれば、上記した何れかの排気ガス発生装置を用い、燃料と燃焼エアとの混合を空気過剰率λが１．２〜１．７となるように行い、燃焼炎色が赤色の燃焼をさせて、排気ガスを発生させる排気ガス発生方法が提供される（第１の排気ガス発生方法という）。

又、本発明によれば、上記した二次エア混合系、二次エア供給系、及び二次エア流量制御手段を具備する排気ガス発生装置を用い、燃料と燃焼エアとの混合を空気過剰率λが１．２〜１．７となるように行い、燃焼炎色が赤色の燃焼をさせて、排気ガスを発生させ、その排気ガスに二次エアを混合する排気ガス発生方法が提供される（第２の排気ガス発生方法という）。

混合すべき二次エアの流量は、排気ガスとの混合後の全流量に対し、５〜２０％であることが好ましい。混合すべき二次エアの流量は、排気ガスとの混合後の全流量に対し、１０％であることが、より好ましい。

空気過剰率λ（ラムダ）は、実際の空燃比が理論値から、どれだけ離れているかを示す割合であり、λ＝（供給される燃焼エアの量）／（理論的に必要な燃焼エアの量）で求められる。λ＜１であれば、（本明細書において空気過剰率λと呼ぶが、）空気不足であり、濃厚な混合気である。一方、λ＞１であれば、空気過剰であり、希薄な混合気である。

第２の排気ガス発生方法は、排気ガスに二次エアを混合可能な排気ガス発生装置を用いて、排気ガスに二次エアを混合する方法であり、第１の排気ガス発生方法を更に限定するものである。本明細書において、単に本発明に係る排気ガス発生方法というときは、第１の排気ガス発生方法と第２の排気ガス発生方法の両方を指すものとする。

本発明に係る排気ガス発生方法においては、燃料と燃焼エアとの混合をする際の、燃焼エアの流速が、１ｍ／ｓ（秒）以上、１０ｍ／ｓ（秒）以下、であることが好ましい。

燃焼エアの流速は、より好ましくは、８ｍ／ｓ（秒）以下、である。尚、燃焼エアの流速の上限は、燃焼炎色が赤色の燃焼限界で決められる。又、燃焼エアの流速の下限は、同じ排気ガス発生装置を用いた場合に、セラミックス構造体の耐熱衝撃性、耐久性を評価するために充分な高温（評価試料入口温度として１０００℃以上）の排気ガスを発生させ、供給することが可能な値の下限である。

本発明に係る排気ガス発生装置及び本発明に係る排気ガス発生方法において、燃焼エア、二次エア、及び冷却エアは、全て同じ外部の圧縮エア供給手段（コンプレッサ）から供給される圧縮エアであってもよい。

本発明に係る排気ガス発生装置によれば、燃焼室が金属材料で形成され、好ましくはインコネル６００、６０１（商品名）のような耐熱、耐熱酸化性能の高い金属材料を使用しているので、耐久性能の高い装置となる。そのため、レンガ、タイル等のように、劣化し、チッピング、欠けを生じることがない。従って、本発明に係る排気ガス発生装置を含む本発明に係るセラミックス構造体評価装置において、発生させた排気ガスを、評価試料であるセラミックス構造体（ハニカム構造体）に供給したときに、セラミックス構造体がエロージョンを起こし難い。

本発明に係る排気ガス発生装置の好ましい態様によれば、燃焼室の断面形状が円形であり、メインバーナの燃料を噴射する孔の位置が、燃焼室（の内壁）から、燃焼室の内径の１２％以上離れているので、燃焼室の壁の温度上昇が抑えられ、酸化劣化が防止される。そのため、燃焼室において、チッピング、欠けを生じることがない。従って、本発明に係る排気ガス発生装置を含む本発明に係るセラミックス構造体評価装置において、発生させた排気ガスを、評価試料であるセラミックス構造体（ハニカム構造体）に供給したときに、セラミックス構造体がエロージョンを起こし難い。

本発明に係るセラミックス構造体評価装置の好ましい態様によれば、冷却エア混合系、冷却エア供給系、及び冷却エア流量制御手段を具備するので、単に燃料の供給を停止する場合に比して、評価（試験）終了後のセラミックス構造体の温度を、容易に、速く、下げられ、効率よく評価を行える。

本発明に係る排気ガス発生方法によれば、排気ガスを発生させるに際し、燃焼炎色が赤色の燃焼（赤炎燃焼）をさせるので、燃焼室における燃焼温度自体は、青炎燃焼より下がる。そのため、使用する装置が金属材料で形成されていても、十分な耐久性能を発揮する。

又、本発明に係る排気ガス発生装置を使用する本発明に係る排気ガス発生方法によれば、青炎燃焼の場合より、空気過剰率λが広い範囲で安定した燃焼が可能となり、失火が防止される。そして、より広い空気過剰率λの範囲で安定した燃焼が可能となったため、本発明に係るセラミックス構造体評価装置においては、評価試料（セラミックス構造体）の入口温度を温度調節計により計測し、その温度を基にして燃料の量を制御することによって、精度よく温度及び温度カーブを調節することが可能である。よって、精度が高い安定した、セラミックス構造体の評価を行うことが出来る。

本発明に係る排気ガス発生方法によれば、燃焼炎色が赤色の燃焼（赤炎燃焼）をさせ、燃料と燃焼エアとの混合を空気過剰率λが１．２〜１．７となるように行うので、排気ガスのＣＯ濃度を０．１体積％以下とすることが出来る。そのため、発生させた排気ガスをセラミック構造体に供給して評価をする場合に、ＣＯがセラミック構造体の内部で燃焼し高温となってクラック、溶損を生ずる問題を回避出来る。

本発明に係る第２の排気ガス発生方法の好ましい態様によれば、二次エア混合系、二次エア供給系、及び二次エア流量制御手段を具備する装置を用い、排気ガスに二次エアを混合するので、赤炎燃焼の欠点であるＣＯ濃度の発生が低減され、更に広い空気過剰率λの範囲で安定した燃焼を実現可能である。

本発明に係るセラミックス構造体評価装置の一の実施形態を示す模式図である。従来のセラミックス構造体評価装置の一例を示す模式図である。図１に示されたセラミックス構造体評価装置における燃焼室の断面及びメインバーナを現す模式図である。実施例の結果を表す図であり、燃焼エア流量と燃焼エア流速の関係、及び燃焼炎色を示すグラフである。実施例の結果を表す図であり、各燃焼炎色における空気過剰率λとＣＯ濃度との関係、及び各燃焼炎色における評価試料（セラミックス構造体）入口温度、を表すグラフである。実施例の結果を表す図であり、二次エアを混合有り無しのそれぞれにおける空気過剰率λとＣＯ濃度との関係を表すグラフである。実施例の結果を表す図であり、燃焼室の内壁から（メインバーナの最も外側の）燃料噴射孔までの距離と、燃焼室の外壁温度と、の関係を示すグラフである。

以下、本発明について、適宜、図面を参酌しながら、実施形態を説明するが、本発明はこれらに限定されて解釈されるべきものではない。本発明に係る要旨を損なわない範囲で、当業者の知識に基づいて、種々の変更、修正、改良、置換を加え得るものである。例えば、図面は、好適な本発明に係る実施形態を表すものであるが、本発明は図面に表される態様や図面に示される情報により制限されない。本発明を実施し又は検証する上では、本明細書中に記述されたものと同様の手段若しくは均等な手段が適用され得るが、好適な手段は、以下に記述される手段である。

先ず、本発明に係る排気ガス発生装置を含む本発明に係るセラミックス構造体評価装置について説明する。図１に示されるセラミックス構造体評価装置１は、（本発明に係る）排気ガス発生装置１１と、その排気ガス発生装置１１で発生させた排気ガスの出口側に接続された評価試料を収納するためのサンプルホルダ１２と、からなる。

排気ガス発生装置１１は、燃焼室１１１、燃焼エア供給配管１１２、その燃焼エア供給配管１１２に設けられる燃焼エア流量調節バルブ１１３、燃焼室１１１に設けられたメインバーナ１１４及びパイロットバーナ１１５、メインバーナ１１４へ供給される燃料の流量を調節する燃料（電子）流量調節バルブ１１６、パイロットバーナ１１５へ供給される燃料及び圧縮（点火）エアの流量をそれぞれ調節する燃料（電子）流量制御バルブ１１７及び圧縮エア流量制御バルブ１１８、二次エア混合管と冷却エア混合管を兼ねた混合管１４１、二次エア供給配管１４２、その二次エア供給配管１４２に設けられる二次エア（電子）流量制御バルブ１４３、冷却エア供給配管１５２、及びその冷却エア供給配管１５２に設けられる冷却エア流量調節バルブ１５３を具備する。

燃焼室１１１は、好ましくはインコネル６０１（商品名）で形成され、燃料と燃焼エアとの混合を行いその混合をされた混合気に燃焼をさせて排気ガスを発生させる燃焼空間１１１ｂと、燃焼エアを受け入れる燃焼エア入口１１１ａ、及び発生させた排気ガスを送出する排気ガス出口１１１ｃを有する。

図３に示されるように、燃焼室１１１の断面形状は円形であり、メインバーナ１１４の燃料噴射ノズル１１４ａにおける燃料を噴射する孔（燃料噴射孔）の位置は、燃焼室１１１の内壁から、燃焼室１１１の内径の（例えば）１２％離れている。

燃焼エアは、別途設けられる圧縮エア供給装置（コンプレッサ）に接続される圧縮エア配管１３１から供給される圧縮エアが使用され、燃焼エア供給配管１１２を通じて、燃焼エア流量調節バルブ１１３で流量調節されつつ、燃焼室１１１へ供給される。圧縮エアは、二次エア及び冷却エアとしても使用される。

二次エアは、二次エア供給配管１４２を通じて、二次エア流量制御バルブ１４３で流量調節されつつ、混合管１４１へ供給される。冷却エアは、冷却エア供給配管１５２を通じて、冷却エア流量調節バルブ１５３で流量調節されつつ、混合管１４１へ供給される。

サンプルホルダ１２の排気ガス発生装置１１の側（排気ガス入口側）には、例えば熱電対からなる温度計１２１が設けられる。

次に、上記したセラミックス構造体評価装置１を用いた場合を例にして、本発明に係る排気ガス発生方法を含み、セラミックス構造体を評価する（試験する）方法について説明する。セラミックス構造体を評価するに際しては、サンプルホルダ１２に評価試料（例えばハニカム構造体）をセットした（収納した）後に、排気ガスを発生させ、二次エアを混合し、二次エアを混合させた排気ガスを、所定の時間、評価試料に供給すればよい。

排気ガスを発生させるには、赤炎燃焼になるように、燃焼室１１１におけるメインバーナ１１４の位置において（即ち、燃料と燃焼エアとの混合をする際に）、燃焼エアの流速が例えば５ｍ／ｓとなるように、燃焼エア流量調節バルブ１１３で制御しつつ、燃焼エアを燃焼室１１１（、更にはサンプルホルダ１２）へ供給する。併せて、メインバーナ１１４の燃料噴射ノズル１１４ａから、燃料を燃焼室１１１へ噴射し、燃料と燃焼エアの混合気を作る。そして、燃料流量制御バルブ１１７で燃料の流量を制御し、圧縮エア流量制御バルブ１１８で圧縮（点火）エアの流量を制御し、パイロットバーナ１１５で点火して、混合気を燃焼させる。

燃料の噴射量は、空気過剰率λが１．２〜１．７となるように、且つ、温度計１２１に基づくサンプルホルダ１２の排気ガス入口側の温度が所望の値となるように、燃料流量制御バルブ１１６で制御する。排気ガス入口側温度が所望の値より低い場合は、燃料を増やすか又は燃焼エア量を増やし、二次エア量を減らし、空気過剰率λが１．２〜１．７の範囲で所望の排気ガス入口側の温度となるように、燃料又は燃焼エアと、二次エアの比を調整する。

二次エアは、二次エア流量制御バルブ１４３で制御しつつ、二次エア供給配管１４２から混合管１４１へ供給する。排気ガスとの混合後の全流量に対し、二次エア量を（例えば）１０％以上とすると、二次エアを使用しないときの空気過剰率λの下限値１．２に対し、空気過剰率λが１．０５であっても、排気ガスのＣＯ濃度を０．１体積％以下とすることが出来る。更には、ＣＯがセラミック構造体の内部で燃焼し高温となって、クラック、溶損を生ずる問題を回避することが可能である。このように、二次エアを使用することで、使用しない場合より広範囲で安定した評価試験が可能となる。

排気ガスを、所定の時間、評価試料に供給した後（試験を終えた後）は、燃料の噴射を止め、燃焼エアの供給を停止する。そして、冷却エア流量調節バルブ１５３で制御しつつ、冷却エア供給配管１５２から混合管１４１へ、冷却エアを供給し、評価試料を冷却する。

以下、本発明を実施例によりさらに具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

（比較例１）図２に示されるセラミックス構造体評価装置２と同じ構成のセラミックス構造体評価装置を用いて、評価試料（セラミックス構造体）の評価を行った。セラミックス構造体評価装置は、燃焼エアが燃焼室をバイパスする経路を有するものであり、燃焼室の内壁を耐火レンガで被覆したものである。評価試料として、直径がφ１１０ｍｍ、長さが１２７ｍｍ、隔壁の厚さが６ｍｉｌ、セル密度が４００ｃｐｓｉの、コージェライト製のハニカム構造体を使用した。燃料として、ＬＰガスを使用した。

燃焼エアを供給する送風機は、静圧４．０ｋｐａのものであり、燃焼エアの流量を１．５Ｎｍ^３／ｍｉｎ．とした。又、パイロットバーナの燃料と（点火）エアの圧力を何れも６．０ｋｐａとし、メインバーナの燃料の圧力を５０ｋｐａとした。燃焼エアと燃料の混合部は燃焼室の手前にあり、その内径はφ５３．５ｍｍであった。このときの燃焼エア流速は１１．１ｍ／ｓである。

以上の条件に加えて、温度計で測定される排気ガス入口側の温度目標値を、加熱開始から５分の到達最高温度を１０７０℃とし、予測される燃料流量を手動で設定し、５分間排気ガスを評価試料に供給した。このときの空気過剰率λは、１．５であった。その後、排気ガスの供給を停止し、冷却エアの供給により温度を下げた。具体的には、排気ガス入口側における冷却開始から５分の到達最低温度を２６０℃とし、予測される冷却流量を手動で設定し、５分間、冷却エアを供給した。そして、これらの加熱（排気ガスの供給）及び冷却（冷却エアの供給）を１０サイクル行った。尚、評価試料の評価結果自体は、本発明と直接関係がないので省略する。

排気ガスを供給している間、温度のバラツキが大きかったので、バイバス経路の流量調節バルブの開度を２０％に調整した。しかし、調整後も、青炎燃焼（燃焼炎色が青色）で、温度も、調整前より小さくはなったものの、１０４０〜１１００℃までバラツキ、安定しなかった。このときの空気過剰率λは、バイパスエア流量が計測されていないため、不明である。

（実施例１）図１に示されるセラミックス構造体評価装置１と同じ構成のセラミックス構造体評価装置を用いて、評価試料（セラミックス構造体）の評価を行った。評価試料として、直径がφ１１０ｍｍ、長さが１２７ｍｍ、隔壁の厚さが６ｍｉｌ、セル密度が４００ｃｐｓｉの、コージェライト製のハニカム構造体を使用した。燃料は、ＬＰガスを使用した。

セラミックス構造体評価装置において、メインバーナ及びパイロットバーナは金属製とし、燃焼室には、特に耐熱酸化性の高いインコネル６０１を用いた。燃焼室の壁を燃焼熱から保護するため、メインバーナの燃料噴射ノズルの最も外側の燃料噴出孔と、（燃料と燃焼エアの混合部における）燃焼室の内壁と、の距離を２０ｍｍとした。この（燃焼エアと燃料の混合部における）燃焼室の内径は、φ１０６．３ｍｍであった。

圧力損失の高い評価試料に対応可能なように、圧力の高い圧縮エアを使用し、燃焼エア、冷却エア、二次エアの圧力を、何れも４００ｋｐａとした。併せて、パイロットバーナにおける燃料と圧縮（点火）エアも２００ｋｐａという高圧にし、燃料（電子）流量制御バルブ及び圧縮（点火）エア（電子）流量制御バルブを、ともに定置制御した。更に、温度制御を精密に行うため、温度計には調節計を付加し、温度計で測定した温度が１０７０℃になるように、燃料（電子）流量制御バルブを制御し、メインバーナから噴射される燃料の流量を調節した。

燃焼エアの流量を１．３Ｎｍ^３／ｍｉｎ．とした。このときの燃焼エア流速は２．４ｍ／ｓである（最大燃焼エア３Ｎｍ^３／ｍｉｎ．の流量で燃焼エア流速は５．７ｍ／ｓである。尚、最大燃焼エアとは、排気ガス発生装置の設計最大能力時の燃焼エアを意味する。）二次エアの流量は、０．２Ｎｍ^３／ｍｉｎ．とし、二次エア混合後の排気ガスの流量を１．５Ｎｍ^３／ｍｉｎ．とした。

以上の条件に加えて、温度計で測定される排気ガス入口側の温度目標値を加熱３０秒後、１０７０℃に設定し、１０７０℃に達したところで４．５分間、（二次エアを混合した）排気ガスを評価試料に供給した。その後、排気ガスの供給を停止し、冷却エアの供給により温度を下げた。具体的には、排気ガス入口側における冷却開始から５分の到達最低温度を２６０℃とし、予測される冷却流量を手動で設定し、５分間、冷却エアを供給した。そして、これらの加熱（排気ガスの供給）及び冷却（冷却エアの供給）を１０サイクル行った。尚、評価試料の評価結果自体は、本発明と直接関係がないので省略する。

最高温度到達後の温度は、１０７０〜１０７５℃で非常に安定しており、バラツキは少なく、赤炎燃焼（燃焼炎色が赤色）となっていることが確認された。このときの空気過剰率λは、１．２〜１．４（温度調節計で燃料流量を所定温度カーブとなるよう制御するため一定値とはならない）であった。

（実施例２〜６、比較例２）燃焼エアの流量を、１Ｎｍ^３／ｍｉｎ．（実施例２）、２Ｎｍ^３／ｍｉｎ．（実施例３）、３Ｎｍ^３／ｍｉｎ．（実施例４）、４Ｎｍ^３／ｍｉｎ．（実施例５）、５Ｎｍ^３／ｍｉｎ．（実施例６）、６Ｎｍ^３／ｍｉｎ．（比較例２）、とした。又、空気過剰率λが１．３になるように燃料の噴射量を調節した。それら以外は、実施例１と同様にして、排気ガスを評価試料に供給し、その際の燃焼炎の色を目視で確認した。燃焼エア流量と燃焼エア流速の関係、及び燃焼炎色を、図４に示す。

（実施例７）燃焼室の（燃焼エアと燃料の混合部における）内径をφ１３０ｍｍとし、燃焼エアの流量が６Ｎｍ^３／ｍｉｎ．のときの燃焼エア流速を７．５ｍ／ｓとした。二次エアの流量は、１．０Ｎｍ^３／ｍｉｎ．とし、二次エア混合後の排気ガスの流量を７．０Ｎｍ^３／ｍｉｎ．とした。又、メインバーナの燃料噴射ノズルの最も外側の燃料噴出孔と、（燃料と燃焼エアの混合部における）燃焼室の内壁と、の距離を２６ｍｍとした。それ以外は、実施例１と同様にして、評価試料の評価を行った。実施例１と同様に、最高温度到達後の温度は、１０７０〜１０７５℃と非常に安定しており、バラツキは少なく、赤炎燃焼（燃焼炎色が赤色）となっていることが確認された。又、このときの空気過剰率λは１．３〜１．５であった。

（実施例８〜１４、比較例３）燃焼室の（燃焼エアと燃料の混合部における）内径をφ１３０ｍｍとし、燃焼エアの流量を、２Ｎｍ^３／ｍｉｎ．（実施例８）、３Ｎｍ^３／ｍｉｎ．（実施例９）、４Ｎｍ^３／ｍｉｎ．（実施例１０）、５Ｎｍ^３／ｍｉｎ．（実施例１１）、６Ｎｍ^３／ｍｉｎ．（実施例１２）、７Ｎｍ^３／ｍｉｎ．（実施例１３）、８Ｎｍ^３／ｍｉｎ．（実施例１４）、９Ｎｍ^３／ｍｉｎ．（比較例３）、とした。又、空気過剰率λが１．３になるように燃料の噴射量を調節した。それら以外は、実施例７と同様にして、排気ガスを評価試料に供給し、その際の燃焼炎の色を目視で確認した。燃焼エア流量と燃焼エア流速の関係、及び燃焼炎色を、図４に示す。

（実施例１５〜２０、比較例４）燃焼室の（燃焼エアと燃料の混合部における）内径をφ８１．１ｍｍとし、燃焼エアの流量を、０．５Ｎｍ^３／ｍｉｎ．（実施例１５）、１Ｎｍ^３／ｍｉｎ．（実施例１６）、１．５Ｎｍ^３／ｍｉｎ．（実施例１７）、２Ｎｍ^３／ｍｉｎ．（実施例１８）、２．５Ｎｍ^３／ｍｉｎ．（実施例１９）、３Ｎｍ^３／ｍｉｎ．（実施例２０）、３．５Ｎｍ^３／ｍｉｎ．（比較例４）、とした。又、空気過剰率λが１．３になるように燃料の噴射量を調節した。それら以外は、実施例１と同様にして、排気ガスを評価試料に供給し、その際の燃焼炎の色を目視で確認した。燃焼エア流量と燃焼エア流速の関係、及び燃焼炎色を、図４に示す。

（実施例２１、２２、比較例５〜７）燃焼室の（燃焼エアと燃料の混合部における）内径をφ５３．５ｍｍとし、燃焼エアの流量を、０．５Ｎｍ^３／ｍｉｎ．（実施例２１）、１Ｎｍ^３／ｍｉｎ．（実施例２２）、１．５Ｎｍ^３／ｍｉｎ．（比較例５）、２Ｎｍ^３／ｍｉｎ．（比較例６）、２．５Ｎｍ^３／ｍｉｎ．（比較例７）、とした。又、空気過剰率λが１．３になるように燃料の噴射量を調節した。それら以外は、実施例１と同様にして、排気ガスを評価試料に供給し、その際の燃焼炎の色を目視で確認した。燃焼エア流量と燃焼エア流速の関係、及び燃焼炎色を、図４に示す。

（実施例２３〜２７、比較例８）燃焼室の（燃焼エアと燃料の混合部における）内径をφ１０６．３ｍｍとし、燃焼エアの流量を２．０Ｎｍ^３／ｍｉｎ．とし、二次エアの混合は行なわなかった。そして、燃料の噴射量を、空気過剰率λが、１．１（比較例８）、１．２（実施例２３）、１．３（実施例２４）、１．５（実施例２５）、１．６（実施例２６）、１．７（実施例２７）、になるように調節した。それら以外は、実施例１と同様にして、排気ガスを評価試料に供給し、その際の燃焼炎の色を目視で確認し、評価試料入口温度を測定した。又、排気ガスのＣＯ濃度を測定した。空気過剰率λとＣＯ濃度との関係を図５及び図６に示す。更に、評価試料入口温度を図５に示す。燃焼炎色は赤色であった。

（比較例９〜１３）燃焼室の（燃焼エアと燃料の混合部における）内径をφ５３．５ｍｍとし、燃焼エアの流量を２．０Ｎｍ^３／ｍｉｎ．とし、燃料の噴射量を、空気過剰率λが、１．０５（比較例９）、１．１（比較例１０）、１．２（比較例１１）、１．３（比較例１２）、１．５（比較例１３）、になるように調節した。それら以外は、実施例１と同様にして、排気ガスを評価試料に供給し、その際の燃焼炎の色を目視で確認し、評価試料入口温度を測定した。又、排気ガスのＣＯ濃度を測定した。空気過剰率λとＣＯ濃度との関係、及び評価試料入口温度を、図５に示す。燃焼炎色は青色であった。

（実施例２８〜３５）燃焼室の（燃焼エアと燃料の混合部における）内径をφ１０６．３ｍｍとし、燃焼エアの流量を１．７Ｎｍ^３／ｍｉｎ．とし、二次エアの流量を、０．３Ｎｍ^３／ｍｉｎ．とし、二次エア混合後の排気ガスの流量を２Ｎｍ^３／ｍｉｎ．とした。そして、燃料の噴射量を、空気過剰率λが、１（実施例２８）、１．０５（実施例２９）、１．１（実施例３０）、１．２（実施例３１）、１．３（実施例３２）、１．５（実施例３３）、１．６（実施例３４）、１．７（実施例３５）、になるように調節した。それら以外は、実施例１と同様にして、排気ガスを評価試料に供給し、その排気ガスのＣＯ濃度を測定した。空気過剰率λとＣＯ濃度との関係を、図６に示す。

（実施例３６〜３８、比較例１４）燃焼室の（燃焼エアと燃料の混合部における）内径をφ１０６．３ｍｍとし、燃焼エアの流量を２Ｎｍ^３／ｍｉｎ．とし、二次エアの混合は行なわなかった。又、温度計で測定される排気ガス入口側の温度目標値を１０００℃に設定した。そして、適宜、目封止をして、メインバーナの燃料噴射ノズルの最も外側の燃料噴出孔と（燃料と燃焼エアの混合部における）燃焼室の内壁との距離を、３ｍｍ（比較例１４）、１３ｍｍ（実施例３６）、２３ｍｍ（実施例３７）、３３ｍｍ（実施例３８）、に調節した。それら以外は、実施例１と同様にして、排気ガスを評価試料に供給し、燃焼室の外壁に取り付けた温度計（熱電対）によって、温度を測定した。燃焼室の内壁からメインバーナの燃料噴射ノズルの最も外側の燃料噴出孔までの距離と、燃焼室外壁温度と、の関係を、図７に示す。燃焼炎色は赤色であった。

以上の実施例における空気過剰率λは、燃焼室に供給される燃料の量と燃焼エアの１分間における流量から算出した。

又、実施例におけるＣＯ濃度は、ＨＯＲＩＢＡ社製のＣＯ／ＨＣアナライザ（型番ＭＥＸＡ−３２４Ｇ）によって測定した。

（考察）図４〜図７を含む実施例の結果より、次のことが確認された。

赤炎燃焼を行なうには、燃焼室（燃料と燃焼エアの混合部）における燃焼エアの流速を、１０ｍ／ｓ以下とすることが好ましく、８ｍ／ｓ以下であることが特に好ましい（図４を参照）。

ＣＯ濃度より、青炎燃焼の安定燃焼範囲は、空気過剰率λが１．０５〜１．２であるのに対し、赤炎燃焼の安定燃焼範囲は、空気過剰率λが１．２〜１．７であり、相対的に広くなった（図５を参照）。又、二次エアの混合によって、赤炎燃焼の安定燃焼範囲は、空気過剰率λが１．０５〜１．７まで広くなった（図６を参照）。これは、二次エアの混合によって、発生したＣＯの燃焼が進んだためと考えられる。尚、安定燃焼範囲は、温度計で測定される排気ガス入口側の到達温度のバラツキが、±１５℃以内となる範囲である。

一般に、青炎燃焼の温度の方が、赤炎燃焼の温度より、高い筈であるが、燃焼室が金属製である同じセラミックス構造体評価装置を使用すると、評価試料入口温度は、むしろ赤炎燃焼の方が高くなった。この原因は、燃焼室が金属製であることによって、燃焼温度の高い青炎燃焼の放射熱量が格段に大きくなったためと考えられる（図５を参照）。赤炎燃焼であっても、評価試験温度は、１２００℃以下、であるので、セラミックス構造体の耐熱衝撃性、耐久性を評価するために、充分な高温の排気ガスを発生させ、供給することが可能である。

燃焼室を、耐火性レンガと比べれば耐熱性の低い金属で形成したので、燃焼室の壁の温度上昇を抑え、酸化劣化を防ぐためには、メインバーナの燃料噴射ノズルの最も外側の燃料噴出孔の位置を、燃焼室の内壁から、燃焼室の内径の１２％以上離すことが好ましく、２０％以上離すことが特に好ましい（図７を参照）。

燃焼エアの供給を、静圧の低い送風機ではなく、高圧が得られる圧縮エアで行うようにし、更にパイロットバーナ、メインバーナにおける燃料の圧力を高くするとともに、パイロットバーナの圧縮（点火）エア及び燃料並びにメインバーナの燃料の流量を電子制御バルブで調節することとしたため、安定した制御・調節が可能となり、圧力損失の高い条件であっても、評価中に失火することはなかった。加えて、圧力損失の影響を受け易いバイパスを止め、燃焼エア、二次エア、冷却エアを、それぞれ単独で調節可能にしたので、安定した燃焼が可能となった。

本発明に係る排気ガス発生装置及び排気ガス発生方法並びにセラミックス構造体評価装置は、ＤＰＦや触媒担体等のセラミックス構造体（ハニカム構造体）の耐熱衝撃性や耐久性の評価を行うために、好適に利用される。

１：（本発明に係る）セラミックス構造体評価装置
２：（従来の）セラミックス構造体評価装置
１１：（本発明に係る）排気ガス発生装置
１２：サンプルホルダ
２１：（従来の）排気ガス発生装置
２２：サンプルホルダ

Claims

燃料と燃焼エアとの混合を行いその混合をされた混合気の燃焼をさせて排気ガスを発生させる燃焼空間、前記燃焼エアを受け入れる燃焼エア入口、及び、発生させた排気ガスを送出する排気ガス出口、を有し、金属材料で形成されている燃焼室と、
前記燃焼エアを前記燃焼室へ供給する燃焼エア供給系と、前記燃焼エアの流量を調節するために前記燃焼エア供給系に設けられる燃焼エア流量制御手段と、
前記燃焼室へ前記燃料を噴射するメインバーナと、前記混合気を着火するパイロットバーナと、を具備し、
前記燃焼室の断面形状が円形であり、その燃焼室内に前記メインバーナが設けられ、そのメインバーナの燃料を噴射する孔の位置が、前記燃焼室から、燃焼室の直径の１２％以上離れている排気ガス発生装置。
前記金属材料が、ニッケル合金である請求項１に記載の排気ガス発生装置。
前記発生させた排気ガスに二次エアを混合する二次エア混合系と、前記二次エアを前記二次エア混合系へ供給する二次エア供給系と、前記二次エアの流量を調節するために前記二次エア供給系に設けられる二次エア流量制御手段と、を具備する請求項１又は２に記載の排気ガス発生装置。
請求項１〜３の何れか一項に記載の排気ガス発生装置と、その排気ガス発生装置に接続される、評価試料としてのセラミックス構造体を収納するサンプルホルダと、を具備し、
前記排気ガス発生装置からの排気ガスの供給によってセラミックス構造体の評価を行うセラミックス構造体評価装置。
前記燃焼室の排気ガス出口の側で冷却エアを混合する冷却エア混合系と、前記冷却エアを前記冷却エア混合系へ供給する冷却エア供給系と、前記冷却エアの流量を調節するために前記冷却エア供給系に設けられる冷却エア流量制御手段と、を具備する請求項４に記載のセラミックス構造体評価装置。
請求項１〜３の何れか一項に記載の排気ガス発生装置を用い、燃料と燃焼エアとの混合を空気過剰率λが１．２〜１．７となるように行い、燃焼炎色が赤色の燃焼をさせて、排気ガスを発生させる排気ガス発生方法。
請求項３に記載の排気ガス発生装置を用い、燃料と燃焼エアとの混合を空気過剰率λが１．２〜１．７となるように行い、燃焼炎色が赤色の燃焼をさせて、排気ガスを発生させ、その排気ガスに二次エアを混合する排気ガス発生方法。
燃料と燃焼エアとの混合をする際の、燃焼エアの流速が、１ｍ／ｓ以上、１０ｍ／ｓ以下、である請求項６又は７に記載の排気ガス発生方法。