JP5867279B2 - バーナ装置および排気昇温装置 - Google Patents

Description

本発明は、燃料を燃焼させるバーナ装置および排気昇温装置に関する。

従来、通電加熱されたグロープラグ等の着火部に、インジェクタから液体の燃料を直接噴霧して燃焼させるバーナ装置が知られている。バーナ装置では、燃料が直接着火部に噴霧されると、未燃の燃料の液滴が落下するなどして燃焼に寄与せずに燃焼効率が低下してしまう場合がある。このような場合、噴霧された燃料を、一旦、着火部近傍に配した担体に付着させて落下を抑制した上で着火させる構成を採るとよい。

このような燃料を付着させる担体としては、空孔を有し燃料の保持性が高い多孔質体が適している。特許文献１に記載の燃焼装置では、このような担体として用いられる多孔質体として、例えば、金属繊維、セラミックス繊維等が例に挙げられている。

特開２００６−５７８９２号公報

上述したような、インジェクタから噴霧した液体の燃料を多孔質体に付着させて保持させる構成において、多孔質体のセル密度を高く空孔を小さくすると、燃料が空孔に吸収されずに弾かれて落下する割合が多くなる。

一方、着火部が配される燃焼室内には、燃焼のために酸素などの気体が導入されているが、多孔質体のセル密度を低く空孔を大きくすると、気体の流速が速くなり、着火部における着火性が低下してしまう。

本発明は、このような課題に鑑み、燃料の保持性および着火性を向上することが可能なバーナ装置および排気昇温装置を提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明のバーナ装置は、燃焼室と、前記燃焼室に気体を供給する気体供給部と、前記燃焼室に燃料を供給する燃料供給部と、前記燃焼室に設けられ、燃料を着火する着火部と、前記着火部の近傍に配置され、前記気体供給部から供給される気体が導かれるとともに、前記燃料供給部から供給される燃料を保持する燃料保持部と、を備え、前記燃料保持部は、多孔質体で形成される第１層と、該第１層を形成する多孔質体よりセル密度が高い多孔質体で形成される第２層とが積層されており、前記第１層は、前記燃料供給部に臨み、前記第２層は、前記気体供給部側に臨んでいることを特徴とする。

前記第１層は、前記燃料供給部側の面が凹んでいてもよい。

前記第１層と前記第２層との積層部分に挿通穴が設けられ、前記着火部は、前記第１層と前記第２層と非接触で、前記挿通穴に挿設されていてもよい。

上記課題を解決するために、本発明の排気昇温装置は、ディーゼルエンジンの排気経路において、排気ガスを浄化する排気後処理装置の前段に配置され、前記排気ガスを昇温するバーナ装置を有する排気昇温装置であって、前記バーナ装置は、燃焼室と、前記燃焼室に前記排気ガスまたは前記排気ガスとは別の気体を供給する気体供給部と、前記燃焼室に燃料を供給する燃料供給部と、前記燃焼室に設けられ、燃料を着火する着火部と、前記着火部の近傍に配置され、前記気体供給部から供給される気体が導かれるとともに、前記燃料供給部から供給される燃料を保持する燃料保持部と、を備え、前記燃料保持部は、多孔質体で形成される第１層と、該第１層を形成する多孔質体よりセル密度が高い多孔質体で形成される第２層とが積層されており、前記第１層は、前記燃料供給部に臨み、前記第２層は、前記気体供給部側に臨んでいることを特徴とする。

前記気体供給部は、空気を送出するエアポンプで構成されていてもよい。

本発明によれば、燃料の保持性および着火性を向上することが可能となる。

ディーゼルエンジンの排気構造を説明するための説明図である。 排気昇温装置の構造を説明するための説明図である。 排気昇温装置の構造を説明するための説明図である。 燃料保持部を説明するための説明図である。 変形例を説明するための説明図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。

本実施形態では、排気昇温装置は、例えば、ディーゼルエンジンの排気経路において、排気ガスを浄化する排気後処理装置、具体的には、排気ガスを酸化するディーゼル酸化触媒の前段に配置されるものを例に挙げて説明する。しかし、排気昇温装置は、かかる用途に限らず、燃料を噴射してグロープラグ等の着火部で着火する構成を有する様々な装置に適用できる。

図１は、ディーゼルエンジン１の排気構造を説明するための説明図である。図１（ａ）に示すように、ディーゼルエンジン１は、ピストンによってシリンダ内の空気を圧縮して高温高圧化し、燃料タンク２に蓄えられた、軽油、重油等の燃料を燃料ポンプ３や噴射ポンプ４で昇圧して噴射し、爆発を起こして、その爆発によって生じるエネルギーを動力に変えるレシプロエンジンである。過給機５は、ディーゼルエンジン１の排気ガスのエネルギーでタービンを回転し、吸気を圧縮して吸気圧を高めることでエンジン出力を向上させる装置である。

排気経路６は、ディーゼルエンジン１から排出された排気ガスを外部に排気するための配管７によって形成され、配管７の一端がディーゼルエンジン１の排気口と接続され、他端がディーゼル酸化触媒８に接続される。パティキュレートフィルタ９は、ディーゼルエンジン１の排気ガスに含まれる煤等の粒子状物質を、例えば、１０ミクロン程度の孔で捕集して除去する、セラミックや金属のフィルタで構成される。パティキュレートフィルタ９のフィルタ９ａは、図１（ｂ）の断面図に示すように、粒子状物質１０が堆積し過ぎると目詰まり１１を起こす。目詰まり１１は排気圧の上昇を招き燃費の悪化や出力低下につながる。

ディーゼル酸化触媒８は、排気ガスを浄化する排気後処理装置であって、ディーゼルエンジン１とパティキュレートフィルタ９の間に設けられ、例えばプラチナ、パラジウム等の触媒で構成され、ディーゼルエンジン１の排気ガス中に含まれる酸素を利用し未燃の燃料を触媒燃焼させることによって排気ガスを昇温する。昇温された排気ガスは、後段のパティキュレートフィルタ９に流れ、パティキュレートフィルタ９に堆積した粒子状物質１０を燃やし二酸化炭素として排気させ、パティキュレートフィルタ９の目詰まりを解消する（フィルタ再生処理）。

このようなフィルタ再生処理は、パティキュレートフィルタ９が目詰まりを起こしたとき、例えば、目詰まりが解消されるまで実行されるバッチ処理である。しかし、ディーゼル酸化触媒８は、ディーゼルエンジン１の始動時や低負荷時等、排気ガスの温度が低く酸化が促進される活性温度に達していない間、排気ガスを昇温できず、その後段のパティキュレートフィルタ９においてフィルタ再生処理を行うことができない。そこで、本実施形態では、排気経路６の排気ガスを分流し流速を抑制して、流速が抑制された排気ガス中に配置された触媒を備える排気昇温装置１００で燃料を燃焼させ、昇温した排気ガスを排気経路６に戻すことでディーゼル酸化触媒８の昇温を助勢するようにしている。

以下の実施形態では、例えば、上述した排気経路６の排気ガスを昇温する用途で用いられる排気昇温装置１００について詳述する。

図２および図３は、排気昇温装置１００の構造を説明するための説明図である。図２には、排気昇温装置１００およびその前後の配管７の一部を、排気経路６に平行かつ排気昇温装置１００の中心を含む面で切った断面の概念図を示す。図３（ａ）には、図２のＩＩＩ（ａ）−ＩＩＩ（ａ）線断面を示し、図３（ｂ）には、図２のＩＩＩ（ｂ）−ＩＩＩ（ｂ）線断面を示す。

外壁１１０は、図３（ａ）、（ｂ）に示すように、例えば、円筒形状であって、図２に示す上端に底面を有し、下端が配管７内の排気経路６と連通している。外壁１１０の内部には、外壁１１０内部を区画する第１仕切部材１１２が配される。第１仕切部材１１２は、例えば、板材で構成され、図２に示す上端が円筒の底面に固定され、下端が配管７の内部まで突き出している。

流入路１１４は、外壁１１０内部の第１仕切部材１１２で区画された空間のうち、排気ガス（Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ：図中、Ｅｘｈ．Ｇａｓで示す）の流れ方向の上流側に位置する空間である。流入路１１４には、排気経路６から分流した排気ガスが、排気経路６を流れる排気ガスの流量の例えば２０％程度流入する。

外壁１１０内部の第１仕切部材１１２で区画された空間のうち、排気ガスの流れ方向の下流側に位置する空間は、さらに、第２仕切部材１１６で区画される。第２仕切部材１１６は、例えば、板材で構成され、外周面が外壁１１０と第１仕切部材１１２に固定されており、第２仕切部材１１６の図２に示す上面側と下面側の空間を仕切る。第２仕切部材１１６で仕切られた上面側の空間は火炎を生成するための火炎燃焼室１１８（燃焼室）であり（図３（ａ）参照）、下面側の空間は燃焼を発達させるための２次燃焼室１２０である（図３（ｂ）参照）。

気体供給部１２２は、例えば、エアポンプ等で構成され、火炎燃焼室１１８に気体、本実施形態においては空気を供給し、火炎燃焼室１１８内における火炎の生成を助ける。気体供給部１２２は、エアポンプに限らず、ファン、コンプレッサ等で構成されてもよい。

第１仕切部材１１２には、流入路１１４から火炎燃焼室１１８へ貫通する孔１１２ａが設けられている。第１仕切部材１１２および孔１１２ａによって、火炎燃焼室１１８へ流入する排気ガスおよび空気の流量が制限される。

また、第１仕切部材１１２には、流入路１１４から２次燃焼室１２０へ貫通する孔１１２ｂが設けられている。第１仕切部材１１２および孔１１２ｂによって、２次燃焼室１２０へ流入する排気ガスの流量が制限される。

さらに、第２仕切部材１１６には、火炎燃焼室１１８から２次燃焼室１２０へ貫通する孔１１６ａが設けられている。第２仕切部材１１６および孔１１６ａによって、火炎燃焼室１１８から流出する排気ガスの流量が制限される。こうして、火炎燃焼室１１８および２次燃焼室１２０における排気ガスおよび空気の流速が抑制され、火炎燃焼室１１８における着火性および保炎性が向上し、２次燃焼室１２０においては、火炎燃焼を継続可能な温度域および酸素濃度域を拡大できる。

火炎燃料供給部１２４（燃料供給部）は、例えばノズルを有するインジェクタ等の燃料噴射装置で構成され、火炎燃焼室１１８に燃料を、霧状に噴射して供給する。

着火部１２６は、例えばグロープラグ等の着火装置で構成され、燃料の着火温度以上に加熱されて、着火部１２６の熱で気化した燃料と排気ガスと空気の混合気を着火させる。

邪魔板１２８は、例えば板材で構成され、一端が外壁１１０の底面に固定され、他端側が孔１１２ａに対向する位置に配される。邪魔板１２８は、孔１１２ａを通って火炎燃焼室１１８へ流入する排気ガスおよび空気が、着火部１２６に直接衝突する流れを妨げる。かかる構成により、着火部１２６付近の排気ガス、空気および混合気の流速を抑制でき、着火性が向上する。

２次燃料供給部１３０は、火炎燃料供給部１２４と同様に、例えばインジェクタ等の燃料噴射装置で構成され、２次燃焼室１２０内に燃料を、霧状に噴霧して供給する。

２次燃焼室１２０内では、火炎燃焼室１１８で発生した種火を発達させるために、２次燃料供給部１３０によってさらに燃料が噴射され、排気ガスを巻き込みながら混合気の燃焼を促進する。

そして、昇温後の高温の排気ガスは、排気経路６に流入し、排気経路６を通過する排気ガスの温度を高める。このように、排気経路６を通過する排気ガスは、図２中、Ｈｅａｔｅｄ Ｅｘｈ．Ｇａｓで示すように、排気昇温装置１００によって昇温されて下流側に導かれることとなる。

ところで、火炎燃料供給部１２４が着火部１２６に直接燃料を噴霧すると、未燃の燃料の液滴が落下して燃焼効率が低下してしまうおそれがある。そこで、排気昇温装置１００は、燃料を保持する担体として燃料保持部１３４を備える。

上述した火炎燃焼室１１８、気体供給部１２２、火炎燃料供給部１２４、着火部１２６、および燃料保持部１３４は、火炎を生成するバーナ装置１００ａを構成する。

燃料保持部１３４は、着火部１２６近傍、例えば、着火部１２６の一端を覆う位置に配置され、例えば、金網、焼結金属、金属繊維、ガラス布、セラミック多孔体、セラミックファイバ、軽石等の多孔質体で形成され、気体供給部１２２から供給される気体が導かれるとともに、火炎燃料供給部１２４から供給された燃料が燃焼されるまで、当該燃料を一時的に保持する。また、燃料保持部１３４は、多孔質体として形成された触媒であってもよい。

図４は、燃料保持部１３４を説明するための説明図である。特に、図４（ａ）は、図２における燃料保持部１３４近傍の部分拡大図を示し、図４（ｂ）は、図４（ａ）のＩＶ（ｂ）−ＩＶ（ｂ）線断面図を示し、図４（ｃ）は、燃料保持部１３４の分解斜視図を示す。

図４（ａ）、（ｂ）に示すように、燃料保持部１３４は、第１層１３４ａと、第２層１３４ｂとが積層され、例えば、不図示の筐体に嵌入されている。第１層１３４ａは、火炎燃料供給部１２４から噴霧される燃料の粒径よりも大凡大きい空孔を持つ多孔質体で形成される。第２層１３４ｂは、第１層１３４ａを形成する多孔質体よりセル密度が高い多孔質体で形成される。ここで、セル密度は、例えば、単位体積当たりのセル（空孔）の数をいう。

また、筐体は、例えば金網等の網状部材で形成されており、排気ガス、空気および燃料の燃料保持部１３４の内外への流出入を妨げない。

そして、第１層１３４ａは、火炎燃料供給部１２４に臨み、第２層１３４ｂは、気体供給部１２２側に臨むように配置されている。

本実施形態の燃料保持部１３４は、火炎燃料供給部１２４から噴射された燃料を、セル密度が低い第１層１３４ａで受け止める。第１層１３４ａは、空孔が大きいため、燃料を弾き難い。また、第１層１３４ａにはセル密度が高い第２層１３４ｂが積層されている。燃料は第２層１３４ｂにまで到達すると、空孔が細かく表面張力が大きくなる第２層１３４ｂで保持されるため、第１層１３４ａから落下する燃料の量を抑制できる。

また、第２層１３４ｂが気体供給部１２２側に臨んでいるため、気体供給部１２２から着火部１２６に流れる気体は、高いセル密度の多孔質体を通過する際に流速が低下することとなる。そのため、着火部１２６近傍の流速が抑制され、着火部１２６における着火性が向上する。

第１層１３４ａは、図４（ｃ）に示すように、火炎燃料供給部１２４側の面が凹んでいる（凹み１３４ｃを有する）。かかる構成により、火炎燃料供給部１２４から噴射された燃料の一部が弾かれたとしても、弾かれた後、凹みの他の部分に再度付着する可能性が高まる。そのため、燃料保持部１３４は、燃料の保持性が向上する。

また、第１層１３４ａと第２層１３４ｂとの積層部分に挿通穴１３４ｄが設けられ、着火部１２６は、第１層１３４ａと第２層１３４ｂと非接触で、挿通穴１３４ｄに挿設されている。

多孔質体は一般に切削等の加工が難しい。しかし、例えば、図４（ｃ）に示すように、第１層１３４ａと第２層１３４ｂそれぞれに挿通穴１３４ｄを半分ずつ設ける構成であれば、例えば、治具を押し当てる等して変形させるだけで、挿通穴１３４ｄを設けることが可能となる。また、着火部１２６を、第１層１３４ａおよび第２層１３４ｂと非接触とする構成により、着火部１２６の熱が第１層１３４ａおよび第２層１３４ｂに伝熱することに起因する放熱がされ難くなるため、着火部１２６の温度を効率的に上昇させることが可能となる。

排気昇温装置１００は、酸素濃度が低い排気ガスであっても、バーナ装置１００ａの着火性が高いため、安定的に排気ガスを昇温できる。また、排気昇温装置１００は、燃料保持部１３４の燃料の保持性が高いため、未燃の燃料が意図せずに排気ガス中に流出する可能性が低く、例えば、ディーゼルエンジン１を搭載した自動車の排気ガス規制といった厳しい環境規制に適応し易い。

また、上述したように、気体供給部１２２は、例えば、空気を送出するエアポンプで構成されている。かかる構成により、気体供給部１２２から送出される空気の流速が速くとも、第２層１３４ｂがその流速を低下させることができるため、排気昇温装置１００は、気体供給部１２２に十分な酸素を供給させることで、着火性や保炎性が向上し、安定的に排気ガスを昇温可能となる。

（変形例）
上述した実施形態では、２次燃焼室１２０で火炎燃焼が行われる排気昇温装置１００の構成について説明した。変形例では、２次燃焼室１２０での燃焼をより安定的に維持することができる排気昇温装置２００について説明する。なお、上述した実施形態と実質的に機能が等しい構成については、同一の符号を付して説明を省略する。

図５は、変形例を説明するための説明図であり、排気昇温装置２００における、図２の概念図に対応する位置の断面を示す。

図５に示すように、変形例の排気昇温装置２００では、上記排気昇温装置１００の構成に加えて、２次燃焼室１２０にバーナ触媒２３２が配されている。

バーナ触媒２３２は、基材と基材を覆う例えばプラチナ、パラジウム等の触媒のコーティング材で構成され、２次燃焼室１２０内における空気と燃料の混合気の燃焼を促進する。ここでは、触媒燃焼を促進するためバーナ触媒２３２を２重に配置しているが、１重としてもよいし３重以上としてもよい。

着火部１２６で着火が成功すると、火炎燃焼室１１８から孔１１６ａを通過して触媒燃焼室１２０に流入した排気ガスは、バーナ触媒２３２を加熱する。また、火炎燃焼室１１８で生成された火炎も、孔１１６ａを通ってバーナ触媒２３２を加熱する。

バーナ触媒２３２は、活性温度以上に加熱され、２次燃料供給部１３０から供給された燃料と、孔１１２ｂ、１１６ａから流入した排気ガスとが混合した混合気を触媒燃焼させる。そして、燃焼後の高温の排気ガスは、排気経路６に流入し、排気経路６を通過する排気ガスの温度を高める。

このように、２次燃焼室１２０内にバーナ触媒２３２を備える構成により、排気昇温装置２００は、２次燃焼室１２０内における燃料の燃焼を安定的に維持することができる。

上述した実施形態では、バーナ装置１００ａを、ディーゼル酸化触媒８を活性化させるための排気ガスの昇温に用いたが、かかる場合に限られず、バーナ装置１００ａは、燃焼室に気体を供給してグロープラグ等の着火部に燃料を供給して着火する、様々な装置に適用できる。

上述した実施形態では、気体供給部１２２が供給する空気と、排気ガスとの双方が火炎燃焼室１１８に導かれる場合について説明したが、火炎燃焼室１１８に供給する気体は、空気と排気ガスのいずれか一方でもよい。特に、火炎燃焼室１１８に排気ガスのみを供給する場合には、孔１１２ａが気体供給部として機能し、気体である排気ガスを火炎燃焼室１１８に供給することとなる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

本発明は、燃料を燃焼させるバーナ装置および排気昇温装置に利用することができる。

１００ …排気昇温装置
１００ａ …バーナ装置
１１８ …火炎燃焼室（燃焼室）
１２２ …気体供給部
１２４ …火炎燃料供給部（燃料供給部）
１２６ …着火部
１２８ …温度測定部
１３４ …燃料保持部
１３４ａ …第１層
１３４ｂ …第２層
１３４ｄ …挿通穴
１ …ディーゼルエンジン
６ …排気経路
８ …ディーゼル酸化触媒

Claims (5)

1. 燃焼室と、
   前記燃焼室に気体を供給する気体供給部と、
   前記燃焼室に燃料を供給する燃料供給部と、
   前記燃焼室に設けられ、燃料を着火する着火部と、
   前記着火部の近傍に配置され、前記気体供給部から供給される気体が導かれるとともに、前記燃料供給部から供給される燃料を保持する燃料保持部と、を備え、
   前記燃料保持部は、
   多孔質体で形成される第１層と、該第１層を形成する多孔質体よりセル密度が高い多孔質体で形成される第２層とが積層されており、
   前記第１層は、前記燃料供給部に臨み、
   前記第２層は、前記気体供給部側に臨んでいることを特徴とするバーナ装置。
2. 前記第１層は、前記燃料供給部側の面が凹んでいることを特徴とする請求項１に記載のバーナ装置。
3. 前記第１層と前記第２層との積層部分に挿通穴が設けられ、
   前記着火部は、前記第１層と前記第２層と非接触で、前記挿通穴に挿設されていることを特徴とする請求項１または２に記載のバーナ装置。
4. ディーゼルエンジンの排気経路において、排気ガスを浄化する排気後処理装置の前段に配置され、前記排気ガスを昇温するバーナ装置を有する排気昇温装置であって、
   前記バーナ装置は、
   燃焼室と、
   前記燃焼室に前記排気ガスまたは前記排気ガスとは別の気体を供給する気体供給部と、
   前記燃焼室に燃料を供給する燃料供給部と、
   前記燃焼室に設けられ、燃料を着火する着火部と、
   前記着火部の近傍に配置され、前記気体供給部から供給される気体が導かれるとともに、前記燃料供給部から供給される燃料を保持する燃料保持部と、を備え、
   前記燃料保持部は、
   多孔質体で形成される第１層と、該第１層を形成する多孔質体よりセル密度が高い多孔質体で形成される第２層とが積層されており、前記第１層は、前記燃料供給部に臨み、前記第２層は、前記気体供給部側に臨んでいることを特徴とする排気昇温装置。
5. 前記気体供給部は、空気を送出するエアポンプで構成されることを特徴とする請求項４に記載の排気昇温装置。