JP6575127B2 - バーナ装置およびエンジンシステム - Google Patents

Description

本発明は、噴射された燃料を燃焼させて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。

特開２０１４−４７６９９号公報

特許文献１のようなバーナ装置において、排気ガスを所期の温度まで昇温する昇温時間を短縮しようとして燃料の噴射量を増加させ過ぎると、燃料が燃焼室で燃焼しきれずに未燃のまま燃焼室から流出してしまう。これでは、噴射した燃料が昇温に寄与せず、排気ガスの昇温時間を短縮することができない。

本発明は、このような課題に鑑み、燃料の燃焼を促進し、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、排気流路を流通する排気ガスを昇温するバーナ装置であって、一次燃焼室、および、一次燃焼室と排気流路との間であって、一次燃焼室の鉛直下方に配され、一次燃焼室と連通孔を介して連通する二次燃焼室を含む燃焼室と、燃焼室に燃料を噴射する燃料噴射部と、排気流路を形成する配管内に配され、連通孔の鉛直下方に位置し、二次燃焼室と排気流路とを区画し、排気流路を流通する排気ガスの上流側の端部から下流側に向かって延在し、燃料噴射部から噴射された後、未燃のまま排気流路に向かって滴下する燃料を、二次燃焼室内で受ける液垂防止部材と、液垂防止部材よりも排気流路を流通する排気ガスの下流側に設けられ、二次燃焼室と排気流路とを連通させる隙間と、を備えることを特徴とする。

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、上記のバーナ装置を備えることを特徴とする。

本発明によれば、燃料の燃焼を促進し、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る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を備えるエンジンシステム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と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側へ突出する長さが、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、一次燃焼室１１６ａから流入する高温の排気ガスおよび未燃の燃料と、二次吸気口１２２から流入する空気とによって、燃料が着火して燃焼が開始する。

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、第１燃料噴射部１２６や第２燃料噴射部１２８から噴射された燃料が、燃焼室１１６で燃焼しきれずに未燃のまま配管６ａ内に滴下してしまうと、滴下した燃料が昇温に寄与せず、排気ガスの昇温時間を短縮することができない。

そこで、本実施形態では、液垂防止部材１４０を設けている。液垂防止部材１４０は、例えば、矩形の板形状であって、一端１４０ａが、第１仕切壁１０８の突出部１０８ｂの先端に取り付けられ、突出部１０８ｂから右壁１０２ｂ側に向かって上蓋１０４と平行に延在している。すなわち、液垂防止部材１４０は、二次燃焼室１１６ｂのうち、排気流路６ｃを流通する排気ガスの上流側の端部（第１仕切壁１０８）から下流側に向かって延在する。

また、液垂防止部材１４０は、二次燃焼室１１６ｂと排気流路６ｃとを区画しており、液垂防止部材１４０よりも上蓋１０４側が二次燃焼室１１６ｂ、上蓋１０４と反対側が排気流路６ｃとなっている。液垂防止部材１４０の他端１４０ｂは、右壁１０２ｂと離隔しており、液垂防止部材１４０と右壁１０２ｂとの隙間によって、二次燃焼室１１６ｂと排気流路６ｃが連通している。

液垂防止部材１４０は、連通孔１２４（孔壁１３８）の下方に位置している。そのため、一次燃焼室１１６ａから未燃のまま二次燃焼室１１６ｂに滴下した燃料が二次燃焼室１１６ｂで燃焼されず、排気流路６ｃに向かって滴下すると、液垂防止部材１４０が、滴下した燃料を二次燃焼室１１６ｂ内で受ける。

同様に、第２燃料噴射部１２８から噴射された燃料が孔壁１３８に衝突し、霧散も燃焼もしないまま排気流路６ｃに向かって滴下すると、液垂防止部材１４０が、滴下した燃料を二次燃焼室１１６ｂ内で受ける。

液垂防止部材１４０に受け止められた未燃の燃料は、衝突の際の衝撃によって一部が霧散して燃焼する。また、液垂防止部材１４０に留まった燃料も、二次燃焼室１１６ｂ内の熱によって昇温されて燃焼する。こうして、バーナ装置１００は、燃料の燃焼を促進し、排気ガスを迅速に昇温することが可能となる。

上述した実施形態では、液垂防止部材１４０が、燃焼室１１６と排気流路６ｃとを区画する場合について説明した。しかし、燃焼室１１６と排気流路６ｃを区画する部材が別途配され、液垂防止部材１４０が、燃焼室１１６内に配されてもよい。ただし、液垂防止部材１４０が、燃焼室１１６と排気流路６ｃとを区画することで、燃焼室１１６内の空間を広く確保するとともに、燃焼室１１６内の気体の流れを液垂防止部材１４０が阻害することを回避できる。

また、上述した実施形態では、液垂防止部材１４０は、燃焼室１１６のうち、排気流路６ｃを流通する排気ガスの上流側の端部（左壁１０２a）から下流側に向かって延在する場合について説明した。しかし、液垂防止部材１４０が燃焼室１１６のいずれの位置から延在していてもよい。

例えば、液垂防止部材１４０を燃焼室１１６のうち、排気流路６ｃを流通する排気ガスの下流側の端部（右壁１０２ｂ）から上流側に向かって延在させてもよい。ただし、この場合、液垂防止部材１４０と左壁１０２ａとの隙間から燃焼室１１６に流入する排気ガスの流量が多くなり過ぎ、燃焼室１１６内で火炎を形成することが困難となる。上述した実施形態のように、液垂防止部材１４０が、燃焼室１１６のうち、排気流路６ｃを流通する排気ガスの上流側の端部から下流側に向かって延在することで、排気流路６ｃから燃焼室１１６へ流入する排気ガスの流量を抑制し、燃焼室１１６内の着火性や保炎性を向上できる。さらに、排気流路６ｃの下流側から燃焼室１１６に少量の排気ガスが導かれることで、燃焼室１１６（二次燃焼室１１６ｂ）内で適度な渦流を生じさせ、燃焼室１１６全体を燃焼空間として機能させられるうえ、燃料を燃焼空間内の広範囲に拡散させて、燃焼効率を向上することが可能となる。

また、上述した実施形態では、燃焼室１１６が一次燃焼室１１６ａと二次燃焼室１１６ｂとを含んで構成され、液垂防止部材１４０が滴下する燃料を二次燃焼室１１６ｂ内で受ける場合について説明した。しかし、一次燃焼室１１６ａと二次燃焼室１１６ｂを設けずに一つの燃焼室のみ形成してもよい。ただし、燃焼室１１６を一次燃焼室１１６ａと二次燃焼室１１６ｂとを含んだ構成とし、液垂防止部材１４０が滴下する燃料を二次燃焼室１１６ｂ内で受けることで、一次燃焼室１１６ａおよび二次燃焼室１１６ｂの双方で生じた未燃の燃料の燃焼を促進させることが可能となる。

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、噴射された燃料を燃焼させて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
６ 排気管
６ｃ 排気流路
１００ バーナ装置
１１６ 燃焼室
１１６ａ 一次燃焼室
１１６ｂ 二次燃焼室
１２４ 連通孔
１２６ 第１燃料噴射部（燃料噴射部）
１２８ 第２燃料噴射部（燃料噴射部）
１４０ 液垂防止部材

Claims (2)

1. 排気流路を流通する排気ガスを昇温するバーナ装置であって、
   一次燃焼室、および、該一次燃焼室と前記排気流路との間であって、該一次燃焼室の鉛直下方に配され、該一次燃焼室と連通孔を介して連通する二次燃焼室を含む燃焼室と、
   前記燃焼室に燃料を噴射する燃料噴射部と、
   前記排気流路を形成する配管内に配され、前記連通孔の鉛直下方に位置し、前記二次燃焼室と該排気流路とを区画し、該排気流路を流通する前記排気ガスの上流側の端部から下流側に向かって延在し、前記燃料噴射部から噴射された後、未燃のまま該排気流路に向かって滴下する燃料を、該二次燃焼室内で受ける液垂防止部材と、
   前記液垂防止部材よりも前記排気流路を流通する前記排気ガスの下流側に設けられ、前記二次燃焼室と前記排気流路とを連通させる隙間と、
   を備えることを特徴とするバーナ装置。
2. 前記請求項１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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