JP6540213B2 - バーナ装置およびエンジンシステム - Google Patents

Description

本発明は、一次燃焼室および二次燃焼室における燃焼熱で排気ガスを昇温するバーナ装置、および、エンジンシステムに関する。

従来、エンジン等の装置の排気ガス中で燃料を燃焼させる場合がある。例えば、ディーゼルエンジンの場合、排気ガスに含まれる煤等の粒子状物質を除去するパティキュレートフィルタの再生処理が必要となる。

この再生処理では、酸化触媒で排気ガスを昇温するが、特許文献１では、酸化触媒を活性温度まで迅速に上昇させるため、補助的にバーナ装置で燃料を燃焼させて排気ガスを昇温する構成が記載されている。このバーナ装置には、一次燃焼室と二次燃焼室が設けられている。一次燃焼室は、二次燃焼室よりも流通するガス流量が少ないことから着火し易い。一方、二次燃焼室は、一次燃焼室よりも流通するガス流量が多いことからより多くの燃料を燃焼させることができる。そして、一次燃焼室で着火した後、一次燃焼室における燃焼熱を受けて、二次燃焼室に噴射された燃料が着火する構成となっている。

特開２０１４−４７６９９号公報

上記のように、二次燃焼室では、一次燃焼室からの燃焼熱を受けて着火するが、ガス流速が速過ぎるなど、二次燃焼室で着火し難い場合、排気ガスの昇温に時間がかかってしまう。

本発明は、このような課題に鑑み、着火性を向上し、排気ガスを迅速に昇温することが可能なバーナ装置、および、エンジンシステム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、排気ガスを昇温するバーナ装置は、燃料を噴射する第１燃料噴射部と、噴射された燃料が燃焼する一次燃焼室と、一次燃焼室と連通孔を介して連通し、一次燃焼室における燃焼で生じた排気ガスが連通孔より流入する二次燃焼室と、二次燃焼室に燃料を噴射する第２燃料噴射部と、二次燃焼室に、連通孔に対向して配され、一次燃焼室に噴射されて未燃のまま二次燃焼室に滴下させた燃料を受けるとともに、一次燃焼室からの燃焼熱によって昇温することで、滴下させた燃料に着火させる着火部と、を備えることを特徴とする。

第２燃料噴射部は、着火部に向かって燃料を噴射してもよい。

二次燃焼室に酸素を含むガスを供給する酸素供給部をさらに備えてもよい。

酸素供給部は、着火部に向かってガスを導いてもよい。

着火部は、連通孔のうち、二次燃焼室側の端部に設けられてもよい。

上記課題を解決するために、本発明のエンジンシステムは、上記バーナ装置を備えることを特徴とする。

本発明によれば、着火性を向上し、排気ガスを迅速に昇温することが可能となる。

ディーゼルエンジンを備えたエンジンシステムの排気系を説明するための説明図である。 バーナ装置の構造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、本明細書および図面において、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。

図１は、ディーゼルエンジン１を備えたエンジンシステムＳの排気系を説明するための説明図である。図１中、矢印は排気ガスの流れを示す。図１（ａ）に示すように、ディーゼルエンジン１はレシプロエンジンであり、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するとともに、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、その高温高圧化された空気中に噴射することで爆発を起こさせ、その爆発によって生じるエネルギーを動力に変える。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させ、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。

排気管６は、ディーゼルエンジン１の排気口から排出された排気ガスを外部に排出する配管である。そして、排気管６には、ディーゼルパティキュレートフィルタ７（ＤＰＦ：Diesel Particulate Filter）が設けられている。

ディーゼルパティキュレートフィルタ７は、図１（ｂ）の縦断面図に示すように、セラミックや金属をハニカム構造に形成した多孔質材７ａで形成され、ディーゼルエンジン１の排気ガスに含まれる、例えば１０ミクロン以上の大きさの粒子状物質ＰＭを捕集し、排気ガスから粒子状物質ＰＭを分離する。

粒子状物質ＰＭが分離された排気ガスは外部に放出される。このとき、ディーゼルパティキュレートフィルタ７に粒子状物質ＰＭが堆積し過ぎると、多孔質材７ａが目詰まりを起こすことがある。目詰まり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。そこで、排気管６のうち、ディーゼルパティキュレートフィルタ７の上流側には、ディーゼル酸化触媒部８（ＤＯＣ：Diesel Oxidation Catalyst）が設けられている。

ディーゼル酸化触媒部８は、排気管６のうち、ディーゼルパティキュレートフィルタ７の上流に設けられ、例えばプラチナ、パラジウム等の触媒で構成される。そして、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、下流のディーゼルパティキュレートフィルタ７に流れ、ディーゼルパティキュレートフィルタ７に堆積した粒子状物質ＰＭを燃焼（酸化）して二酸化炭素として排気させ、ディーゼルパティキュレートフィルタ７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、ディーゼルパティキュレートフィルタ７の目詰まりが所定の閾値を超えたことを契機とし、その目詰まりがある程度解消されるまで、所望するタイミングで所望する期間実行されるバッチ処理である。しかし、ディーゼルエンジン１の始動時や低負荷時には排気ガスの温度が低く、ディーゼル酸化触媒部８が活性温度に達していないことがある。

この場合、ディーゼル酸化触媒部８のみでは排気ガスを昇温できず、その下流に位置するディーゼルパティキュレートフィルタ７において、所望するタイミングでフィルタ再生処理を行うことができない。そこで、エンジンシステムＳにおいては、排気管６のうち、ディーゼル酸化触媒部８の上流側に、温度センサ９およびバーナ装置１００を設けている。

温度センサ９は、排気管６のうち、ディーゼル酸化触媒部８の上流側近傍に設けられ、ディーゼル酸化触媒部８に流入する排気ガスの温度を検出し、バーナ装置１００に出力する。バーナ装置１００は、排気管６のうち、温度センサ９の上流側に接続され、排気管６内を流通する排気ガスを昇温する。

図２は、バーナ装置１００の構造を説明するための説明図であり、バーナ装置１００および配管６ａの概略断面図を示す。配管６ａは、円筒形状であって、図２中、左右方向に延在する。配管６ａの左右の両端にはフランジ面６ｂが設けられ、両フランジ面６ｂが不図示の配管と連結されることで、上記の排気管６を形成している。

配管６ａの内部には、円筒形状の内筒１０が設けられている。内筒１０は、図２中、左側の一端１０ａが、配管６ａの左側のフランジ面６ｂと面一に配置され、他端１０ｂが配管６ａの内部に位置する。すなわち、配管６ａと内筒１０は二重管を形成している。

また、配管６ａおよび内筒１０の内部には、排気流路６ｃが形成されており、排気流路６ｃ内を、図２中、白抜き矢印で示すように、左側から右側に向かって排気ガスが流通する。そして、内筒１０の内部には、不図示の整流板が配されている。整流板は、内筒１０の中心軸方向に平行に延在し、内筒１０の内部を流通する排気ガスの流れを整流する。

バーナ装置１００の外壁１０２は、例えば、矩形形状の中空部材であって、配管６ａから、図２中、上側に立設している。ここでは、外壁１０２と配管６ａが鋳造により一体形成されている。外壁１０２のうち、配管６ａと反対側の端部（図２中、上側の端部）は、上蓋１０４によって閉塞されている。上蓋１０４には、ヒートシンク１０６が取り付けられており、ヒートシンク１０６によって上蓋１０４からの放熱を促進している。

外壁１０２の内部には、外壁１０２内部を区画する第１仕切壁１０８が形成されている。第１仕切壁１０８は、例えば、矩形の板形状であって、外壁１０２のうち、図２中、左側の左壁１０２ａと離隔して大凡平行に対向配置される。

第１仕切壁１０８のうち、上蓋１０４側の端部には、左壁１０２ａ側に屈曲する屈曲部１０８ａが形成されている。また、第１仕切壁１０８のうち、配管６ａ側の端部は、配管６ａの内部まで突出する突出部１０８ｂとなっており、突出部１０８ｂに内筒１０の他端１０ｂが当接している。

この第１仕切壁１０８と左壁１０２ａとの対向空間が流入路１１０となっている。そして、突出部１０８ｂと内筒１０が当接しており、流入路１１０のうち、配管６ａ側が、内筒１０によって閉塞されている。

また、左壁１０２ａのうち、上蓋１０４側の端部には、流入孔１１２が設けられている。流入孔１１２は、左壁１０２ａを貫通する孔であって、流入孔１１２のうち、外壁１０２の外側には吸気管１１４が連結されている。この吸気管１１４に、不図示の送気装置（例えば、エアポンプ、ファン、コンプレッサ等）から送出された酸素を含むガス（本実施形態では空気）が導かれ、流入孔１１２から流入路１１０に流入する。

第１仕切壁１０８で区画された外壁１０２の内部空間のうち、流入路１１０と反対側（図２中、右側）は、燃焼室１１６となっている。燃焼室１１６は、第２仕切壁１１８で区画されている。第２仕切壁１１８は、例えば、矩形の板形状であって、燃焼室１１６内に配され、第１仕切壁１０８から、外壁１０２のうち、図２中、右側の右壁１０２ｂまで延在し、上蓋１０４と離隔して大凡平行に対向配置される。

そして、燃焼室１１６のうち、第２仕切壁１１８で区画された上蓋１０４側の空間が一次燃焼室１１６ａであって、排気流路６ｃ側の空間が二次燃焼室１１６ｂとなっている。すなわち、二次燃焼室１１６ｂは、一次燃焼室１１６ａと排気流路６ｃとの間に配される。

また、第１仕切壁１０８の屈曲部１０８ａには、流入路１１０と一次燃焼室１１６ａとを連通する一次吸気口１２０が設けられており、流入路１１０から一次燃焼室１１６ａへ空気を流入させる。

同様に、第１仕切壁１０８のうち、流入路１１０と二次燃焼室１１６ｂとを区画する部位には、流入路１１０と二次燃焼室１１６ｂとを連通する二次吸気口１２２（酸素供給部）が設けられており、流入路１１０から二次燃焼室１１６ｂへ空気を流入させる。

また、第２仕切壁１１８には、一次燃焼室１１６ａから二次燃焼室１１６ｂまで貫通する連通孔１２４が形成されており、一次燃焼室１１６ａと二次燃焼室１１６ｂが連通している。ここでは、連通孔１２４は、上蓋１０４側から見たとき、大凡矩形形状となっている。

第１燃料噴射部１２６および第２燃料噴射部１２８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、それぞれの本体部が外壁１０２の外側に位置する。第１燃料噴射部１２６は、ノズルの先端が右壁１０２ｂを貫通して一次燃焼室１１６ａ内に突出し、第２燃料噴射部１２８は、ノズルの先端が右壁１０２ｂを貫通して二次燃焼室１１６ｂ内に突出している。

また、一次燃焼室１１６ａのうち、第１燃料噴射部１２６のノズルの噴射方向前方には、保炎部１３０が設けられている。保炎部１３０は、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、第１燃料噴射部１２６から噴射された燃料を内部もしくは表面に一時的に留める。

上記のヒートシンク１０６には、グロープラグ１３２が取り付けられており、グロープラグ１３２の先端部が一次燃焼室１１６ａ内に突出している。グロープラグ１３２の先端部は、保炎部１３０に覆われている。

基台１３４は、上蓋１０４の一次燃焼室１１６ａ側の内面に取り付けられた中空部材であって、グロープラグ１３２の先端が貫通するとともに、保炎部１３０を上蓋１０４や外壁１０２から離隔して配置させるための台座となる。

制御部１３６は、温度センサ９からの出力に基づいて、グロープラグ１３２、第１燃料噴射部１２６、および、第２燃料噴射部１２８を制御する。例えば、制御部１３６は、温度センサ９の出力などから排気ガスの昇温が必要と判断すると、グロープラグ１３２の先端部に通電させて燃料の着火温度以上に加熱させるとともに、第１燃料噴射部１２６に燃料を噴射させる。

第１燃料噴射部１２６から噴射された燃料は、保炎部１３０に一時的に留まり、一次吸気口１２０から一次燃焼室１１６ａに流入した空気の酸素と反応して、グロープラグ１３２の先端部からの熱によって着火する。こうして、一次燃焼室１１６ａで燃料の燃焼が開始すると、燃焼に伴う高温の排気ガスおよび未燃の燃料が、連通孔１２４を通って二次燃焼室１１６ｂに流入する。

連通孔１２４を形成する第２仕切壁１１８のうち、二次燃焼室１１６ｂ側の面には、連通孔１２４に沿って孔壁１３８が形成される。孔壁１３８は、二次燃焼室１１６ｂ側に突出し、二次燃焼室１１６ｂ側への突出長さが、第１仕切壁１０８側から右壁１０２ｂ側に向かって長くなっている。

第２燃料噴射部１２８は、ノズルの噴射方向前方に孔壁１３８が位置する向きに配置されており、一次燃焼室１１６ａで着火後、制御部１３６の制御によって、第２燃料噴射部１２８から燃料が噴射されると、燃料が孔壁１３８に衝突して霧散する。

二次燃焼室１１６ｂでは、こうして二次燃焼室１１６ｂ内に散布された燃料とともに、一次燃焼室１１６ａから流入する未燃の燃料が、二次吸気口１２２から流入する空気に含まれる酸素と反応して燃焼する。

このように、燃焼室１１６を一次燃焼室１１６ａおよび二次燃焼室１１６ｂで構成し、一次燃焼室１１６ａでは二次燃焼室１１６ｂよりも空気の流量を抑えることで着火性を向上させ、二次燃焼室１１６ｂでは一次燃焼室１１６ａよりも空気の流量を多くすることで、多量の燃料の燃焼を可能としている。

一次燃焼室１１６ａおよび二次燃焼室１１６ｂの燃焼によって生じた高温の排気ガスは、二次燃焼室１１６ｂから排気流路６ｃ（配管６ａ）に流入する。こうして、排気流路６ｃ内を流れる排気ガスが昇温され、ディーゼル酸化触媒部８を活性温度に昇温し、ディーゼルパティキュレートフィルタ７においてフィルタ再生処理を行うことが可能となる。

ところで、二次燃焼室１１６ｂでは、一次燃焼室１１６ａから流入する高温の排気ガスなどの燃焼熱を受けて燃料が着火する。しかし、上記のように、二次燃焼室１１６ｂには、一次燃焼室１１６ａよりも多量の空気が流入する。また、排気流路６ｃから二次燃焼室１１６ｂに排気ガスが流入することもあり、二次燃焼室１１６ｂ内は、一次燃焼室１１６ａ内よりもガス流速が速くなる。そのため、二次燃焼室１１６ｂ内のガス流速が速過ぎるなど、二次燃焼室１１６ｂでの着火に時間がかかり、排気ガスの昇温に時間がかかってしまう。

そこで、本実施形態では、二次燃焼室１１６ｂ内に着火部１４０を設けている。着火部１４０は、例えば、矩形の板形状であって、連通孔１２４のうち、二次燃焼室１１６ｂ側の端部１２４ａに設けられている。詳細には、連通孔１２４の端部１２４ａ（すなわち、孔壁１３８）のうち、最も右壁１０２ｂ側の部位に、着火部１４０の一端１４０ａが固定されている。

また、着火部１４０の他端１４０ｂは、一端１４０ａよりも排気流路６ｃ側、かつ、第１仕切壁１０８側に位置している。すなわち、着火部１４０は、他端１４０ｂ側ほど第１仕切壁１０８に近接する向きに傾斜して配されている。

そして、制御部１３６は、第１燃料噴射部１２６に、一次燃焼室１１６ａでは燃焼しきれない量の燃料を噴射させる。一次燃焼室１１６ａに噴射されて未燃のまま二次燃焼室１１６ｂに滴下させた燃料は、連通孔１２４を通って二次燃焼室１１６ｂに滴下する。着火部１４０は、この滴下した燃料を受ける。

また、一次燃焼室１１６ａにおける燃焼で生じた高温の排気ガスも、連通孔１２４を通って二次燃焼室１１６ｂに流入する。着火部１４０は、この高温の排気ガスによって加熱される。さらに、燃焼条件によっては、一次燃焼室１１６ａで生じた火炎が、連通孔１２４を通って二次燃焼室１１６ｂ内まで延び、着火部１４０を直接加熱する場合もある。

このように、着火部１４０が一次燃焼室１１６ａからの燃焼熱によって昇温されることから、連通孔１２４を通って着火部１４０に滴下した燃料は、着火部１４０の熱で容易に着火する。そのため、着火性を向上し、排気ガスを迅速に昇温することが可能となる。

また、上記のように、第２燃料噴射部１２８は、ノズルの噴射方向前方に孔壁１３８が位置する向きに配置されている。詳細には、第２燃料噴射部１２８は、ノズルの噴射方向前方に、孔壁１３８と着火部１４０の一端１４０ａとの固定部分が位置する向きに配置されている。すなわち、第２燃料噴射部１２８は、孔壁１３８および着火部１４０に向かって燃料を噴射することとなる。

制御部１３６は、温度センサ９の出力に基づいて、温度上昇によって一次燃焼室１１６ａでの着火を確認後、さらなる温度上昇から二次燃焼室１１６ｂでの着火を確認すると、第２燃料噴射部１２８に燃料を噴射させる。

第２燃料噴射部１２８で燃料が噴射されるときには、二次燃焼室１１６ｂでは着火部１４０によってすでに燃料が着火した後となり、着火部１４０は、二次燃焼室１１６ｂ内の火炎によってさらに加熱されている。第２燃料噴射部１２８から噴射された燃料は、着火部１４０に衝突し、着火部１４０の熱を受けつつ霧散することから燃焼しやすく、二次燃焼室１１６ｂ内の火炎がさらに成長することとなる。

このとき、着火部１４０のうち、連通孔１２４側の正面では、連通孔１２４から滴下した燃料が着火して火炎が形成されている。そのため、二次燃焼室１１６ｂにおける火炎形成初期では、燃料の火炎への直接噴射を避け、第２燃料噴射部１２８から噴射された燃料を、着火部１４０のうち、連通孔１２４と反対側の背面に衝突させている。その結果、燃料は着火部１４０に衝突して霧散した後に火炎側に移動することから、消炎が回避される。その後、火炎が成長しながら着火部１４０の背面側まで回り込むこととなる。

また、二次吸気口１２２は、着火部１４０の他端１４０ｂと対向しており、二次吸気口１２２から二次燃焼室１１６ｂに流入した空気は、着火部１４０に向かって流れる。すなわち、二次吸気口１２２は、着火部１４０に向かって空気を導いている。

上記のように、二次燃焼室１１６ｂ内では、火炎は着火部１４０を起点に成長していることから、着火部１４０に空気を導くことで、火炎に空気が導かれることとなり、空気を効率的に反応させて燃焼を促進することが可能となる。

上述した実施形態では、第２燃料噴射部１２８が、着火部１４０に向かって燃料を噴射する場合について説明したが、第２燃料噴射部１２８は、着火部１４０以外の部材に向かって燃料を噴射してもよい。

また、上述した実施形態では、二次吸気口１２２を設ける場合について説明したが、二次吸気口１２２を設けず、連通孔１２４から流入する空気や排気ガス、および、排気流路６ｃから流入する排気ガスを燃焼に利用してもよい。ただし、二次吸気口１２２を設けて二次吸気口１２２から二次燃焼室１１６ｂに空気を導く構成により、二次燃焼室１１６ｂにおける着火性を向上するとともに、二次燃焼室１１６ｂでより多量の燃料を燃焼させることが可能となる。

また、上述した実施形態では、一次燃焼室１１６ａおよび二次燃焼室１１６ｂには、空気を導入する場合について説明したが、酸素を含むガスであれば、空気に限らず、例えば、排気流路６ｃから流入路１１０に導かれた排気ガスを、一次燃焼室１１６ａおよび二次燃焼室１１６ｂに導いてもよい。ただし、空気を導入する構成により、燃焼量を増加させて昇温性能を向上させることができる。

また、上述した実施形態では、二次吸気口１２２が、着火部１４０に向かって空気を導く場合について説明したが、二次吸気口１２２は、着火部１４０以外の部材に向かって空気を導いてもよい。

また、上述した実施形態では、着火部１４０は、連通孔１２４のうち、二次燃焼室１１６ｂ側の端部１２４ａに設ける場合について説明したが、着火部１４０を二次燃焼室１１６ｂ内の他の部位に設けてもよい。ただし、着火部１４０を、連通孔１２４のうち、二次燃焼室１１６ｂ側の端部１２４ａに設けることで、着火部１４０が、連通孔１２４から滴下した燃料を受け易くなる。

また、上述した実施形態では、着火部１４０が板形状である場合について説明したが、着火部１４０は板形状以外の形状であってもよい。ただし、例えば、着火部１４０を凹形状として燃料の滞留量が多くなりすぎると、滞留した燃料が煤となって堆積してしまう。着火部１４０を板形状とすることで、着火部１４０に滴下した燃料が滞留する量が一定量に抑えられ、煤の堆積が抑制される。この場合、上記のように、着火部１４０を傾斜させることで、燃料の滞留量がさらに抑えられ、煤の堆積が一層抑制される。

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、一次燃焼室および二次燃焼室における燃焼熱で排気ガスを昇温するバーナ装置、および、エンジンシステムに利用することができる。

Ｓ エンジンシステム
１００ バーナ装置
１１６ａ 一次燃焼室
１１６ｂ 二次燃焼室
１２２ 二次吸気口（酸素供給部）
１２４ 連通孔
１２４ａ 端部
１２６ 第１燃料噴射部
１２８ 第２燃料噴射部
１４０ 着火部

Claims (6)

1. 排気ガスを昇温するバーナ装置であって、
   燃料を噴射する第１燃料噴射部と、
   噴射された前記燃料が燃焼する一次燃焼室と、
   前記一次燃焼室と連通孔を介して連通し、該一次燃焼室における燃焼で生じた排気ガスが該連通孔より流入する二次燃焼室と、
   前記二次燃焼室に燃料を噴射する第２燃料噴射部と、
   前記二次燃焼室に、前記連通孔に対向して配され、前記一次燃焼室に噴射されて未燃のまま該二次燃焼室に滴下させた燃料を受けるとともに、該一次燃焼室からの燃焼熱によって昇温することで、該滴下させた燃料に着火させる着火部と、
   を備えることを特徴とするバーナ装置。
2. 前記第２燃料噴射部は、前記着火部に向かって燃料を噴射することを特徴とする請求項１に記載のバーナ装置。
3. 前記二次燃焼室に酸素を含むガスを供給する酸素供給部をさらに備え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. 前記酸素供給部は、前記着火部に向かって前記ガスを導くことを特徴とする請求項３に記載のバーナ装置。
5. 前記着火部は、前記連通孔のうち、前記二次燃焼室側の端部に設けられることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のバーナ装置。
6. 前記請求項１から５のいずれか１項に記載のバーナ装置を備えることを特徴とするエンジンシステム。

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