JP5705318B2 - 低い背圧で安定した噴霧を有するバーナ - Google Patents

Description

先行技術
自動車のエミッションを規制する、健康や環境を保護するための法的規制の厳格化は、エンジンの開発のための排ガス後処理技術に対するある種の挑戦である。特に重要となるのは、とりわけ癌を誘発するパティキュレートエミッション、ひいては特に自己着火式の内燃機関のエミッションの低減である。したがって排ガス中に含まれる煤粒子を除去するために、排ガス後処理のための多くの方法および装置が開発されている。粒子の形で存在する有害物質を引き留めるためにパティキュレートフィルタシステムの使用が公知である。

パティキュレートを分離するために、排ガスは、耐熱性のフィルタ媒体（ろ過材）を通って導かれる。フィルタ媒体により引き留められた、特に１０ｎｍ〜５０００ｎｍ範囲の直径を有するパティキュレートは、フィルタを閉塞させる。その際、フィルタを介する圧力損失が高まり、圧力損失により、連続的または間欠的に行われるフィルタ媒体の再生が必要となる。再生は、一般的に、酸素を用いて堆積された煤粒子をほぼ残らず燃焼させることにより行われる。もちろん燃焼のために約６００℃の着火温度が必要であり、その温度は、自己着火式の内燃機関の排ガスでは、全負荷時でも希にしか達成されない。この目的のためにバーナを設けることが公知であり、これにより排ガス温度の相応の上昇が得られる。

ドイツ連邦共和国特許出願公開第１００２４２５４号明細書において、触媒バーナが公知であり、この触媒バーナは、内燃機関とパティキュレートフィルタとの間に配置されていて、着火性の燃料混合気を準備することなく、排ガス温度を高める。触媒バーナからエンジンの下流側で供給された燃料は、酸化触媒において、反応熱を放出しながら反応され、その際、排ガス温度は再生温度まで高められる。もちろん排ガスの温度は、酸化触媒において触媒反応を行うために、既に所定の値に達している必要がある。これを下回る温度では、触媒の活性化は、供給された燃料が十分には反応されない程度に僅かである。再生は、あらゆるエンジン負荷範囲で確実に実現されるものではない。さらに追加的な燃料噴射が要求されており、追加的な燃料噴射は、コモンレール技術を備える自己着火式の内燃機関でしか実現されず、その際、エンジンマネージメントに対する広範囲の干渉が必要である。

同様に、排ガス流に必要な温度を形成するために、フィルタ装置に燃焼装置を使用することが公知である。したがって燃焼器とバーナとを備える燃焼装置が公知であり、この場合、調量された燃料と調量された燃焼空気とが混合され、点火性の燃料・空気混合気が形成される。燃焼器内に形成された燃料・空気混合気は、点火装置により点火され、高温の燃焼ガスが、排ガスと混合され、パティキュレートフィルタに溜まった煤粒子が酸化するまで排ガス温度が上昇する。一般的に、燃焼装置は、圧力噴霧ノズルを有するファンバーナである。

一般的に、排ガス流を十分に加熱するために必要とされるバーナ出力は、エンジン運転に関係しており、その際、バーナ出力は、内燃機関の目下の運転点に適合されている。全排ガス流が所要の燃焼温度にもたらされる場合、高いバーナ出力が必要となり、これにより燃料消費量増大が生ぜしめられる。したがって着火性の燃料・空気混合気を得るために、大量の空気が必要とされており、その際、大形のバーナが必要である。したがって主に圧縮空気アキュムレータから、または電動式の空気ポンプを介して行われる空気供給は、付属の電動モータの比較的高い消費電力により、搭載電源網に著しく負荷を掛け、このことは、とりわけ低い内燃機関回転数で故障を招く恐れがある。他方において、増加した空気量により、空気供給管路において相応に流速増加が生ぜしめられ、その際、高い背圧が形成される。その際の欠点となるのは、増大された背圧により高められた電力消費量が生じることである。さらに、低いバーナ出力では、燃料の調整が不十分となる危険が生じる。燃料の調整もしくは噴霧が不十分であると、燃焼されない燃料がパティキュレートフィルタに達し、これを破損する恐れがある。

ドイツ連邦共和国特許出願公開第１０２００９０５１３２７号明細書は、オイルバーナの燃焼空気の温度を制御する方法に関する。バーナの混合ゾーンへの燃焼空気の供給は、運転モードに応じて、第１の供給経路を通って、かつ／または第１の供給経路および第２の供給経路を通って行われ、その際、それぞれ異なる方式で燃焼空気に熱が供給される。

ドイツ連邦共和国特許出願公開第３８２６４４６号明細書において、液体燃料に関して同様に噴霧式バーナが公知である。この場合、重油が一次空気流と共にノズル管内に供給される。ノズル管は、外套管により包囲されており、外套管を介して二次空気が供給される。

発明の開示
本発明によれば、燃焼空気供給部を備える、内燃機関の排ガス処理システムにおいてパティキュレートフィルタを再生するためのバーナ用の燃料調整装置が提案されており、燃焼空気供給部は、燃料の調整のための一次空気供給管路と、点火性の燃料・空気混合気を形成するために燃焼空気を供給するための二次空気供給管路とを備える。

セラミック材料または焼結された金属材料から成る例えばフィルタ通路、フィルタメッシュまたはフィルタポケットである公知のフィルタボディから出発する、排ガス後処理システムのパティキュレートフィルタでは、経時的にパティキュレートが堆積する。排ガス後処理システムを通る排ガス流が制限されるか、または完全に遮断されるように、パティキュレートの堆積物が形成される恐れがある。これにより背圧が増大し、最終的には出力が低下し、排ガス温度が上昇し、燃費が悪化する。したがってパティキュレートフィルタは、運転中に、継続的または周期的に高温空気を用いて再生される。

本発明による提案では、排ガス流における、パティキュレートフィルタの再生に必要な温度は、燃焼装置、特に燃焼器と噴霧装置とを備えるバーナにより形成され、その際、燃焼空気は、一次空気供給管路および二次空気供給管路を介してバーナに供給される。噴霧装置における燃料調整に、一次空気供給管路を介して、一次空気質量流量が提供され、一次空気質量流量は、バーナ出力とはほぼ無関係に供給することができる。バーナ出力が増加し、これに伴い所要空気量が増加する場合、空気供給は、一次空気供給管路の他に、さらに二次空気供給管路を介して行われ、その際、噴霧装置における背圧は低レベルでほぼ一定に維持することができる。

発明の利点
本発明によれば、一次空気供給管路を介して、一次空気質量流量が噴霧装置に供給され、噴霧装置は、噴射された燃料を細かく噴霧する。ノズルの直ぐ下流側で、微細な燃料ミストと燃焼空気との集中的な混合により、エアゾールが得られ、このエアゾールは、点火性である。所要空気量が増加すると、二次空気供給管路を介して、二次空気質量流量が圧送される。追加的な空気供給管路は、適切な燃料噴射特性もしくは空燃比の調節を実現し、噴射方向に影響を及ぼし、正しいサイズの燃料液滴サイズを形成することができる。さらに背圧を低く維持し、ひいては例えば空気ポンプの機械的かつ電気的な所要出力を極めて低く維持することができる。

好適な態様では、二次空気供給管路は、直接に燃焼器に開口しており、その際、噴霧装置により形成された、燃料ミストと燃焼空気とから成る微細なエアゾールが、二次空気質量流量と混合される。このようなアッセンブリは、極めて容易に形成することができるので、このような装置のコストは低く維持することができる。さらに、二次空気供給管路に絞り箇所が設けられていないので、このようなアッセンブリにおける背圧は、低レベルに維持される。

排ガス後処理システムにおけるバーナ用の燃料調整装置の択一的な態様では、二次空気供給管路から供給される二次空気質量流量は、直接に噴霧装置に流入するので、噴射された燃料の噴霧のサポートが実現される。したがって二次空気質量流量は、噴射された燃料の噴霧が得られる燃料液滴サイズおよび均質化に関して影響されて大幅に改善されるように、噴霧装置に供給することができる。さらに、例えば第１にスワールを形成し、場合によっては第２に形成される火炎を絞ることにより、バーナに形成される火炎に影響を及ぼすことができ、その際、火炎安定性は、空燃比が依然として異なる場合でも達成される。二次空気質量流量により、さらに、噴霧装置、特にそのノズルの汚染を低く維持することができるので、噴霧装置に微細なノズルを用いることもできる。したがって二次空気供給管路を介して、ノズルを洗浄して、冷却することができる。

噴霧装置は、例えば外套管により包囲されたノズル管を備えることができる。外套管に、形成されたリング室に二次空気質量流量を導入するための側方の開口が設けられている。開口の所定の方向付けにより、火炎に、二次空気質量流量により、スワール形成および／または絞りが行われ、その際、火炎の安定が達成される。導入される空気質量流量の絞りにより、高い流速が得られる。一次空気質量流量の高い流速もしくは燃料流に対する相応に大きな速度差は、燃料を噴霧するために利用することができる。一次空気質量流量と二次空気質量流量との間の大きな速度差は、エアゾール形成を促進し、その際、速度差は、両方の空気質量流量に異なる方向性を有するスワールが形成されるときに特に大きくなる。

燃焼空気の調量は、一般的に、調整装置を介して制御される。例えば空気供給は、電磁弁を介して圧縮空気アキュムレータから、または電気作動式の空気ポンプにより行われ、例えばベーンポンプ、クローポンプ、回転ピストンポンプを介して行われる。本発明による装置の択一的な態様では、空気供給管路の少なくとも１つ、好適には二次空気供給管路に圧力調整弁が配置されている。空気供給管路に設けられた圧力調整弁は、単純な機械式の圧力弁として構成してよく、または制御可能な圧力調整弁であってよい。したがって燃焼空気は、空気供給管路内の特定の圧力から一次空気供給管路および二次空気供給管路を介してバーナに供給することができる。したがって大量の空気量の場合に増大する背圧が制限され、その際、噴射された燃料の噴霧は、最適化された条件下で行うことができ、火炎の安定性は、簡単で経済的な方法で達成される。

僅かな空気量しか必要とされないバーナの始動段階では、作用する圧力は、少なくとも１つの空気供給管路に配置された圧力調整弁の開放圧より低い。この空気量は、専ら１つの空気供給管路を介して、燃料の調整に提供される。内燃機関の出力増加と共にバーナの所要出力が増加するので、必要な空気量が増加し、背圧が増大し、そして少なくとも１つの圧力調整弁の開放圧を超えたあとで、空気量は、一次空気供給管路および二次空気供給管路を介して供給される。

１つまたは２つの空気供給管路を介する空気供給の切替は、任意に調整可能であり、その際、低いバーナ出力における特性だけでなく高いバーナ出力における特性を考慮することもできる。

バーナ用の燃料調整装置の別の態様では、噴射されるべき燃料は、噴霧装置の上流側で、空気、特に一次空気供給管路を介して供給される一次空気質量流量と混合され、混合気が、燃焼器に供給される。例えば燃料・空気質量流量は、例えばＴ字形部材として構成された管路の共通ガイドにまとめて導かれる。このように形成された点火性の燃料・空気混合気は、予め混合されて噴霧装置に流入する。さらに、混合気が燃焼器内ではなくその外側で形成され、その際、点火性の混合気は特定の空気量で調節可能であるので、燃料・空気混合気の確実な点火が保証されている。さらにこのような態様では、必要な複数の構成要素、例えば調量弁、逆止弁および／または圧力調整弁は、１つの構成要素にまとめることができる。

以下に、本発明の実施の形態を図示し、詳しく説明する。

先行技術による排ガス処理システムを示す図である。 燃焼器に二次空気が流入する、本発明によるバーナ用の燃料調整装置の１つの態様を示す図である。 混合ゾーンに二次空気が流入する、本発明による燃料調整装置の１つの態様を示す図である。 本発明による、バーナ用の燃料調整装置の択一的な態様を示す図である。

図１には、先行技術による排ガス処理システム１０を大幅に簡略化した図で示している。

内燃機関１２から排ガス管路１４を通って、排ガスが、パティキュレートフィルタ１６に流入し、この場合、排ガスは、排ガス管路１４とパティキュレートフィルタ１６との間に配置されたバーナ１８を介して流れる。バーナ１８およびパティキュレートフィルタ１６は、ハウジング２０内で排ガスの流れ方向にみて相前後して配置されている。排ガスと共に運び出される煤粒子は、パティキュレートフィルタ１６内に溜まる。選択された運転方式に応じて、バーナ１８では、燃料２２と空気２４との供給により形成された燃料・空気混合気が点火装置２６を介して点火される。バーナ１８から流出した高温のガスは、パティキュレートフィルタ１６の前室２８内に、排ガス温度を上昇させながら排ガスと混合し、パティキュレートフィルタ１６内に集積された煤粒子を酸化させる。パティキュレートフィルタ１６の再生は、通常、内燃機関１２の運転中に行われ、その際、排ガス中の残留酸素は、バーナ１８の運転に利用することができる。燃焼空気は、電動作動式の空気ポンプ３０を介して供給され、空気ポンプ３０は、図示していない電動モータにより駆動される。電動モータは、搭載バッテリに接続されており、搭載バッテリは、発電機により充電される（図示していない）。

図２には、本発明による、バーナ１８用の燃料調整装置１００の１つの態様を示している。

燃料調整装置１００は、噴霧装置１１０を備え、噴霧装置１１０により、噴射された燃料が適切に調整され、特に噴霧される。噴霧装置１１０には燃料が供給路２２を介して供給され、その際、例えば燃料を調量するために、調整可能な電動モータ（図示していない）により駆動される燃料フィードポンプまたは電磁弁が設けられている。燃料は、吸込管路を介して、内燃機関１２の燃料容器から取り出すことができ、その際、圧送量は、電動モータの回転数の変化により変更することができる。燃焼空気は、本発明によれば、一次空気供給管路１１２および二次空気供給管路１１４を介してバーナ１８に供給される。空気供給の調量は、例えば電磁弁または電動作動式の空気ポンプ（図示していない）を介して行われる。噴霧装置１１０は、例えば接線方向の燃料供給および／または空気供給を有するスワールバーナとして構成されており、噴霧装置１１０において、供給された燃料が細かく噴霧され、その際、点火性の燃料・空気混合気が形成される。バーナ１８の噴霧装置１１０は、例えばリングノズルとして形成することができ、そのリング状の噴霧舌片に沿って燃料が擦過し、回転する空気流により細かく噴霧される。燃焼器１１６に流入する形成されたエアゾールは、一般的な方式で、点火装置２６により点火される。点火電極、グロープラグまたはグローボディを使用することが公知である。バーナ出力が増加する際に、一次空気質量流量として一次空気供給管路１１２を介して供給される燃焼空気の他に、必要となる追加的な燃焼空気量は、本発明において図２に示す態様では、二次空気供給管路１１４を介して、直接に燃焼器１１６内に導入される。

二次空気供給管路１１４には圧力調整弁１１８が配置されている。圧力調整弁１１８は、特定の開放圧で二次空気供給管路を解放する、単純な機械式の圧力調整弁１１８として構成してよい。択一的に、圧力調整弁１１８は、制御可能な圧力調整弁として構成されていてよく、そこでは、開放圧は、例えば制御装置を介して変更することができる。したがってバーナ１８に燃焼空気を供給するために、モジュール化可能な装置が提供される。特に内燃機関１２の始動段階では、二次空気供給管路１１４は閉じ状態で維持することができ、その際、一次空気供給管路１１２を介して、一次空気質量流量が、燃料の噴霧に提供される。したがって燃料の噴霧を、提供される空気量および噴霧装置１１０の構成に関して最適化することができる。

図３には、バーナ１８用の燃料調整装置１００の択一的な態様を示している。ここでは、二次空気供給管路は、直接に燃焼器１１６に開口しているのではなく、噴霧装置１１０に開口している。噴霧装置１１０は、例えば中央のノズル管を備え、このノズル管内に、燃料および一次空気質量流量が流入する。さらに中央のノズル管を外套管が包囲し、外套管は、開口を備え、この開口を通って、二次質量流量が供給される。開口の向きは、スワールが形成されるように調整されていて。これにより、形成される火炎は、安定化され、その方向が特定される。このような噴霧装置１１０により、燃料供給および一次空気供給が中断される場合でも、ノズルのクリーニングおよび冷却のための空気流を維持することができる。このような噴霧装置１１０の耐用期間は長くなる。

図４には、バーナ１８の燃料調整装置１００の別の態様を示している。燃料の供給路２２は、一次空気供給管路１１２に開口しており、その際、適当な装置を介して、燃料が一次空気供給管路１１２に導入される。したがって燃料の供給路２２は、空気ポンプ、例えばベーンポンプの吸込管路に開口していてよい。燃料は空気と緊密に混合され、形成されたエアゾールは、圧送管路１２０を介して噴霧装置１１０に供給される。二次空気供給管路１１４を通って、圧力調整弁１１８を介して、必要な場合に別の燃焼空気が供給され、別の燃焼空気は、形成されたエアゾールと混合され、点火性の燃料・空気混合気として、燃焼器内で点火される。さらに図４に示すように、例えば調整可能な燃料ポンプまたは燃料調量弁１２２により燃料が調量されて供給される。一次空気供給管路１１２には、逆止弁１２４が設けられている。本発明では、複数の弁、圧力調整弁、調量弁、逆止弁を１つの構成要素にまとめることができる。

Claims (6)

1. 内燃機関の高温の排ガス流を導出するための排ガス通路（１４）を備える、排ガス後処理システムのパティキュレートフィルタ（１６）を再生するためのバーナ（１８）用の燃料調整装置（１００）であって、
   前記燃料調整装置（１００）は、燃料を調整する噴霧装置（１１０）と燃焼器（１１６）と燃焼空気供給部（２４）と点火装置（２６）とを備える、燃料調整装置（１００）において、
   前記燃焼空気供給部（２４）は、燃料を調整するための一次空気供給管路（１１２）と、着火性の燃料空気混合気を形成するために燃焼空気を供給するための二次空気供給管路（１１４）とを備え、
   前記一次空気供給管路（１１２）および前記二次空気供給管路（１１４）の少なくともいずれか一方に、圧力調整弁（１１８）が配置されており、
   前記圧力調整弁（１１８）の開放時に、前記一次空気供給管路（１１２）と前記二次空気供給管路（１１４）とを介して燃焼空気供給（２４）が行われ、
   前記一次空気供給管路（１１２）および前記二次空気供給管路（１１４）は、前記噴霧装置（１１０）に開口していることを特徴とする、燃料調整装置。
2. 前記圧力調整弁（１１８）は、機械式の圧力調整弁である、請求項１記載の装置。
3. 前記圧力調整弁（１１８）は、制御弁である、請求項１記載の装置。
4. 前記一次空気供給管路（１１２）および前記二次空気供給管路（１１４）の少なくともいずれか一方に燃料が噴射され、形成された燃料・空気混合気が前記噴霧装置（１１０）に供給される、請求項１から３までのいずれか１項記載の装置。
5. 燃焼空気供給部（２４）は、調量弁を備え、燃料は、燃料調量弁（１２２）により調量されて供給され、その際、１つの弁ブロックに複数の弁（１１８，１２２，１２４）がまとめられている、請求項１から４までのいずれか１項記載の装置。
6. 前記内燃機関は、自己着火式の内燃機関である、請求項１から５までのいずれか１項記載の装置。

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