JP2000514911A - 触媒燃焼室および該触媒燃焼室の着火および制御のための方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、第一の触媒リアクタ（２）とそれに直列に配置された少なくとも第二の触媒リアクタ（３）とを含むと共に、第一の触媒リアクタ（２）が、その着火温度以上の温度に加熱され、その後、燃料と空気の混合気（８）が第一の触媒リアクタ（２）に導入されることにより、触媒燃焼が第一の触媒リアクタ（２）内で開始されるように構成された触媒燃焼器（１）を着火および制御する方法に関する。触媒燃焼器（１）を通る質量の流れが第一の触媒リアクタ（２）の着火後に増加され、その後、燃料／空気の混合気（８）の燃焼が第一の触媒リアクタ（２）と第二の触媒リアクタ（３）との間の中間室（１４）内の気相中で部分的に起きる。本発明は車両内の暖房のための燃焼器（１）とその利用にも関する。

Description

【発明の詳細な説明】 触媒燃焼室および該触媒燃焼室の着火および制御のための方法 技術分野 本発明は、第一の触媒リアクタとそれに直列に配置された少なくとも第二の触 媒リアクタとを含むと共に、第一の触媒リアクタが、５０％の転化率(conversio n rate)を触媒リアクタにおいて達成する温度である触媒リアクタの着火温度以 上の温度に加熱され、その後、燃料と空気の混合気が触媒リアクタに導入される ことにより、触媒燃焼が第一の触媒リアクタ内で開始されるように構成された触 媒燃焼器を着火および制御する方法に関する。 更に、本発明は、触媒リアクタを着火させる方法と、少なくとも２つの直列に 配置された触媒リアクタを含む触媒燃焼器に関する。 背景 低温においてさえ燃焼器内で効率的な燃焼を達成するため、また大量の窒素酸 化物の排出を避けるため、燃焼を触媒の存在下で行うことが提案されてきた。触 媒を用いることにより、燃料の割合が小さい燃料／空気混合気のほとんど完全な 燃焼を達成することが可能である。これは、用いられるガス混合気が触媒の不在 下で大気圧において可燃性でないために、触媒燃焼器が極めて安全であることを 意味する。従って、空気／燃料混合気が触媒燃焼器から漏れ出たとしても爆発の 危険はない。更に、触媒燃焼器は信頼性があり、運転している時に、うるさい騒 音を発生しない。 日本国特許出願平２−１９７２４５号において、２つの触媒リアクタを含む触 媒燃焼器が記載されている。この場合、主触媒リアクタは、予熱触媒リアクタか らの排気ガスにより加熱される。予熱触媒リアクタは、電気的な加熱ヒータによ って着火温度に加熱される。予熱触媒リアクタ内の燃焼により発生する熱の一部 は、燃料を気化させるためにキャブレータの加熱に利用される。この形式の着火 プロセスは、比較的緩慢であり、初期に大量の電気消費を必要とすると共に、炭 化水素化合物および一酸化炭素を多く排出させる。 直列に結合された２つの触媒リアクタを含む更なる触媒燃焼器は、日本国特許 出願昭６０−２７９９４号に記載されている。この公報も、触媒燃焼器を始動す るために２段プロセスを利用している。触媒燃焼器を着火させる時、第一の触媒 リアクタを加熱する代わりに、触媒リアクタを通って送られるガスが加熱され、 これにより着火を達成する。この形式の着火プロセスは、大きな初期のエネルギ 供給を必要とし、その結果として、着火プロセス中に大きなエネルギの消費を伴 う。 以前から公知のこれらの２段着火プロセスは、着火プロセス中に不完全に燃焼 された燃料の排出または電気の消費のどちらも十分に大きな程度には減少させな い。このため、炭化水素化合物および一酸化炭素の排出が少なくて、単純、迅速 且つ電気を節約する触媒燃焼器のための着火プロセスに対する要求が依然として 存在する。 本発明は、はじめに記載した種類の着火プロセスを提供する。本発明によるプ ロセスは、触媒燃焼器を通る質量の流れ(マスフロー：mass flow)が第一の触媒 リアクタの着火後に増加され、その後、燃料混合気の燃焼が第一の触媒リアクタ と第二の触媒リアクタとの間の中間室内の気相中で部分的に起きるという事実に より主として区別される。 好ましい態様によれば、気相燃焼は、第一の触媒リアクタに最も近い第二の触 媒リアクタの端表面を、５０％の転化率を第二の触媒リアクタ内で得る温度であ る第二の触媒リアクタの着火温度以上の温度に加熱する炎を発生し、その後、触 媒リアクタを通る質量の流れは、実質的に全部の燃焼が第二の触媒リアクタ内で 起きると共に、第一の触媒リアクタおよび気相中の燃焼が実質的に停止するよう に調節される。 第一の触媒リアクタに最も近い第二の触媒リアクタの端表面が着火温度以上の 温度に加熱された後、触媒リアクタを通る質量の流れを変更することが適切であ る。 本発明の利点としては、第一の触媒リアクタが、１を超えるλ−値を有する燃 料／空気混合気を供給されることにより、リアクタの着火温度に加熱された後に 着火され、これにより触媒燃焼が触媒リアクタ内で開始されると共に、触媒リア クタ内の温度が着火温度を超えて更に上昇され、その後、触媒リアクタにおける ６０％からほとんど１００％の転化率に対応する触媒リアクタ温度において触媒 リアクタを通る空気の質量の流れを増加させることにより、λ−値が上昇される 。 中間室内の気相燃焼は、第一の触媒リアクタの着火後に、一定のλ−値におい て第一の触媒リアクタを通る質量の流れを増加させることにより達成されること が可能である。炎燃焼が中間室内で起きる時、燃焼の主要部分は、好ましくは第 一の触媒リアクタの後の気相中で行われる。これは、λ−値の制御により達成さ れる。この方式において、リーンな触媒安定化気相燃焼が得られるため、窒素酸 化物の排出が少なくなる。これは、触媒なしでは不可能なものであろう。 極めてリーンな空気／燃料混合気（高λ−値）は、炎のない燃焼を生じるのに 対して、リッチすぎる空気／燃料混合気（低λ−値）は従来の炎燃焼を生じ、窒 素酸化物の排出が多くなる。従って、触媒燃焼および気相燃焼の望ましい燃焼を 得るようにλ−値を調節することが重要である。 第一の触媒リアクタの予熱は、炎がある従来の加熱を考えることが可能である が、好ましくは、電気的に実施される。 第一の触媒リアクタと、それに直列に配置された少なくとも第二の触媒リアク タを含む本発明による触媒燃焼器は、４．５×１０^-3〜０．１８、および好まし くは０．０１６〜０．０５である第一の触媒リアクタの容積と第二の触媒リアク タの容積との間の比により区別される。 １つの態様によれば、スタティックミキサが、第一の触媒リアクタの上流に配 置される。 別の態様によれば、第一の流れ均等化・混合ネットが、第一の触媒リアクタの 上流に配置される。触媒リアクタがスタティックミキサと流れ均等化ネットとの 双方を含む場合、流れ均等化ネットは、適切には、ミキサと第一の触媒リアクタ との間に配置される。 更に別の態様によれば、第二の流れ均等化ネットが、第一の触媒リアクタと第 二の触媒リアクタとの間に配置される。 燃料を気化させるため、および触媒燃焼器に接続される熱交換器の効率を高め るため、空気を燃焼器に供給するための空気ブロアに触媒燃焼器から排気ガスの 一部を戻すための導管を、第二の触媒リアクタの下流で燃焼器と空気ブロアへの 入口との間に配置することが可能である。 燃料の気化および触媒燃焼器の効率の向上の別の方法は、第二の触媒リアクタ の下流に配置された熱交換器を通して空気ブロアに空気を送ることによる。 本発明による触媒燃焼器は、電気エネルギを取出すために第二の触媒リアクタ に結合して配置されたペルチェ要素を更に設けることが可能である。 本発明は、触媒リアクタの着火プロセスを制御するための方法を更に含む。こ の方法は、予熱された触媒リアクタに導入される１を超える初期λ−値を有する 燃料と空気の混合気により区別される。これにより触媒燃焼は、触媒リアクタ内 で開始されると共に、触媒リアクタ内の温度は、着火温度を超えて更に上昇され る。その後、λ−値が、触媒リアクタにおける６０％とほとんど１００％との間 の転化率に対応する触媒リアクタ内の温度において触媒リアクタを通る質量の流 れを増加させることにより、初期λ−値を超える第二のλ−値に増加される。初 期λ−値は、好ましくは１と２との間であると共に、第二のλ−値は、好ましく は２と４との間である。 燃焼の一部が第一の触媒リアクタの後の気相中で起きるように、第一の触媒リ アクタを通るガスの流れおよび相対的な空気／燃料比（λ−値）を調節すること により、迅速且つ効率的な加熱を得ることが可能であるため、第二の触媒リアク タの着火が速やかになる。この方式において、着火時間および着火プロセス中の エネルギ消費を最小に減少させることが可能である。 ２つの触媒リアクタ間の炎において生じる動力は、１００％触媒燃焼において 第一の触媒リアクタ内で発生されることが可能な動力より相当に大きい。これは 、触媒リアクタ間の炎によって、第一の触媒リアクタ内で燃焼が起きて気相中で 燃焼が全く起きない場合と比較して、第一の触媒リアクタの動力を約３倍増加さ せることが可能である。これにより、第一の触媒リアクタのサイズを減少させる ことが可能であり、これは、着火プロセス中の電気消費が少なくなることと、運 転中における触媒リアクタを通した圧力降下を減少させることとを意味する。後 者の事実は、空気を燃焼器に供給するブロアにおける電気消費が減少することを 意味する。 以前から公知の触媒リアクタより相当に小さいサイズの第一の触媒リアクタか ら生じる別の効果は、触媒リアクタを通る全流れが始動中に少ないことである。 これは、始動プロセス中に排出される炭化水素化合物および一酸化炭素の量が最 小であることを意味する。 未燃焼の燃料の排出の減少は、追加的に、異なった着火段階の間におけるλ− 値の制御により最適化される着火プロセスによるものである。特に、炭化水素化 合物および一酸化炭素の排出は減少される。 触媒リアクタに供給される空気と燃料の量の間の比は、いわゆるλ−値として 規定される。λ−値は、相対的な空燃比の尺度であり、実際の空燃比と化学量論 的な空燃比との間の比をなす。 小さいλ−値は空気の量に対する燃料の大きな割合を有する「リッチ」な燃料 混合気を意味するのに対して、大きいλ−値は混合気中に比較的多くの空気を有 する「リーン」な空気／燃料混合気を意味する。 車両、例えば、自動車に関連して、自動車にカーヒータおよび／またはエンジ ンプレヒータを設けることは益々一般的になってきている。カーヒータおよびエ ンジンプレヒータを用いることにより、幾つかの利点が達成される。１つの利点 は、もちろん、車両内の空気を心地よい温度に予熱することにより車両の使用者 の快適さを向上させることが可能なことである。別の利点は、車両内のエンジン の予熱が初期の燃料消費を減少させると同時に始動プロセス中における不完全に 燃焼した燃料の排出を減少させることである。 更に、ヒータからの排気ガスは、エンジンの入口側に送られることが可能であ るため、低温でエンジンの容易且つ清浄な常温起動をもたらす。高いλ−値にお いて、大量の酸素ガスがカーヒータからの排気ガス中に残るため、入口空気が、 大きな割合のヒータ排気ガスを含むことを可能にする。 本発明による触媒燃焼器は、エンジンプレヒータおよび車両用のヒータに用い るのに極めて適する。小さい動力消費、清浄な起動、静かな運転、運転信頼性、 制御性および爆発安全性は、特に重量物を運搬する時の幾つかの利点である。 更に、幾つかの他の目的で動力および熱の生成のために本発明による燃焼器を 用いることが可能である。例えば、スターリングエンジンおよびガスタービンに おける燃焼器として、または建物の暖房のために用いることが可能である。後者 の場合、燃焼器の着火中および運転中の双方において、炭化水素化合物、一酸化 炭素および窒素酸化物の排出量が極めて少ないという事実により、直接暖房のた めに燃焼器からの排気ガスの流れを用いることが可能である。特定の利点は、こ のため以下の場合に得られる。すなわち、従来の暖房を用いる時にグリーンハウ スの空気に別個に供給することが必要な二酸化炭素の代わりに、燃焼中に発生す る一酸化炭素を用いることが可能なため、グリーンハウスの暖房のために本発明 による燃焼器を用いる場合である。 本発明による燃焼器は、極めて良好な制御性を有する。λ−値を調節すること により、温度を制御することができる。λ−値を低下させることにより、温度が 上昇するのに対して、λ−値を上げることにより温度が低下する。対応した方式 において、触媒リアクタ内の動力は、触媒リアクタを通る一定の質量の流れにお いて、温度を変えることにより制御することが可能である。これは、同じ空気の 流れで、より多くの燃料を噴射するため、λ−値が低下すると共に、温度が上昇 することにより達成される。 着火の間に、λ−制御は、触媒リアクタの温度およびこれによるリアクタの加 熱速度を増加させるために用いられる。この方式において、窒素酸化物、炭化水 素化合物および一酸化炭素の排出が無視可能な清浄な始動プロセスが得られる。 高度な制御性は、広い制御可能な範囲が小さい動力での停止および再起動を避 けられることを意味するので、運転中に炭化水素化合物および一酸化炭素の合計 の排出も低下させる。 かなり広い範囲にわたる温度変更を達成するために、空気の流れまたは燃料の 噴射のいずれかを変更することが必要なだけであるので、触媒リアクタ内の温度 を制御および調節することが比較的簡単である。従来の炎燃焼は、リーンな燃料 混合気を用いる時に炎が消えるので、制御性が極端に限定されている。対照的に 、本発明による燃焼器は、運転中におけるλ−値の望ましくない変動に影響され にくいので運転信頼性は高い。 図面の簡単な説明 以下において、添付した図面に関して本発明を詳細に説明する。 図１は、本発明による２段階触媒燃焼器を示す概略図である。 図２は、燃焼器の排気ガスからの熱のリサイクルの２種の変形を有する図１の 触媒燃焼器を示す図である。 実施形態の説明 図１に示した燃焼器１は、第一の触媒リアクタ２（触媒着火リアクタ）および 第二の触媒リアクタ３（主触媒リアクタ）を含む。２つの触媒リアクタ２、３は パイプ型ケーシング４内部で直列に装着される。 両方の触媒リアクタ２、３は、各触媒リアクタ２、３が、触媒を表面上に配置 した単一且つ連続の担体材料を含むことを示すいわゆるモノリス型である。通常 、モノリス型は、円筒の縦軸方向に延びる複数の貫通チャンネルを有する中空で 長い円筒の形を有する。モノリス型の触媒リアクタに関連する利点は、触媒リア クタを通した圧力降下が極めて小さいことである。これは、例えば、ペレット型 の様なその他の形式の触媒リアクタに対して相当な差である。 燃焼器１には、空気と燃料の混合気が供給される。そのために、空気は、空気 ブロア５から空気ダクト６を介して燃焼器の入口７に送られる。入口７において 、空気は燃料噴射器９から噴射される噴霧燃料８と混合される。均一な混合気を 実現するために、スタティックミキサ１０は、触媒燃焼器１の入口７に配置され る。更に、第一の流れ均等化・混合化ネット１１は、スタティックミキサ１０の 上流に配置されて、これと触媒着火リアクタ２との間で、燃焼器１を通した空気 ／燃料の流れのいっそうの均質化を達成すると共に、より良い混合およびそれに よる触媒リアクタ内の好ましい燃焼をもたらす小規模の乱流を達成する。 スタティックミキサ１０における良好な混合を達成するために、ミキサ１０は 、燃焼器１を通る軸方向中心線に対するプロペラの羽根の角度がミキサの周囲よ り、その中心部で大きいプロペラ形状を有することが適切である。従って、用い ることが可能な角度の一部の例は、ミキサ１０の中心部における４０°の第一の 角度およびミキサの周辺部における２５°の第二の角度である。 流れ均等化ネット１１の適切なデザインは、ネット通過後における燃料混合気 の望ましい微小な乱流および流れ均等化を生じさせるため、ネットのメッシュの 直径とネットにおけるフィラメントの直径との間の比、Ｄ_メッシュ：Ｄ_{フィラメント}＝３− ４．６のネットである。 説明してきた混合装置は、もちろん、空気／燃料の流れを満足に混合させる混 合装置の例として意図されただけのものである。従って、望ましい結果をもたら すその他の形式の混合器を用いることが可能である。 第二の流れ均等化ネット１２は、触媒着火リアクタ２と主触媒リアクタ２との 間に装着されて、触媒着火リアクタ２の後の均一な流れ分布を形成する。第二の 流れ均等化ネット１２は、２つの触媒リアクタ２、３および周囲の燃焼ケーシン グ４により形成されるコーン形状の中間室１４内に配置される。 主触媒リアクタ３の出口１５は、燃焼器１の排気ガスの流れからの熱エネルギ を吸収する熱交換器１６に接続される。 主触媒リアクタ３内の反応で発生する熱を取出す変形の方法は、主触媒リアク タ３の担体材料を熱交換器の形状にすることである。この方式において、主触媒 リアクタの後に別個の熱交換器１６を設置する必要はない。 質量の流れの方向の触媒着火リアクタ２の長さであって、触媒リアクタの直径 Ｄの一部として表現される長さは、適切には、１／２×Ｄと１／９０×Ｄとの間 、および好ましくは２／１５×Ｄと２／４５×Ｄとの間である。 触媒着火リアクタ２の容積と主触媒リアクタ３の容積との間の関係は、適切に は約４．５×１０^-3〜０．１８、および好ましくは０．０１６〜０．０５である 。従来のモノリス型触媒リアクタに代わって、ネットの形状をとった触媒リアク タを用いることが可能である。特に、触媒着火リアクタ２は、構造においてほと んど空間を要しない利点を有するネットであることが可能である。しかし、ネッ トの形状をとった触媒リアクタを用いる場合、小さい方の触媒リアクタの容積と 大きい方の触媒リアクタの容積との間の比を規定することは無意味である。 触媒着火リアクタ２に最も近い主触媒リアクタ３の端表面１７の効率的な加熱 を達成するため、触媒着火リアクタ２からｘｍｍ離して主触媒リアクタ３を配置 するのが適切であることが見出された。但し、Ｄ₂ｘ／Ｄ₃＝２７〜７２で、ここ に、Ｄ₂は、触媒着火リアクタの断面直径であり、Ｄ₃は、主触媒リアクタの断面 直径である。 触媒リアクタ間の距離は、主触媒リアクタ３の迅速且つ均一な加熱を得ると同 時に運転中に均一な流れ分布を得るように選択される。 燃焼器の着火の間に、電圧が図面に示していないエネルギ源から触媒着火リア クタ２に印加されるため、材料の抵抗が触媒着火リアクタ２の着火温度を超える 温度に触媒着火リアクタ２を加熱する。触媒リアクタの温度は、温度依存性であ る触媒リアクタの抵抗を測定することにより決定することが可能である。抵抗は 、加熱電流または印加されるその他の電流を用いることにより測定できる。変形 方式において、通常の温度計を用いることが可能である。 空気と燃料の混合気８は、スタティックミキサ１０および第一の流れ均等化ネ ット１１を通って送られ、その後、触媒着火リアクタ２を通過する。空気と燃料 の混合気８は、約３ｂａｒの差圧で噴射バルブ内にガソリンまたはディーゼルの 様な燃料を噴霧し、噴霧された燃料を噴射器９から噴射し、それを空気ブロア５ からの空気と混合することにより得られる。燃料混合気８が加熱された触媒着火 リアクタ２に達した時、燃焼は触媒着火リアクタ２内で開始される。燃焼プロセ スにより、触媒着火リアクタ２内の温度は、その後、空気／燃料混合気８内の空 気の量を増加させることにより上昇する。こうして１００％の燃焼が触媒着火リ アクタ２内で起きる。 その後、質量の流れは、一定のλ−値で更に増加される。増加された質量の流 れは、燃焼がもはや触媒着火リアクタ２内だけで起きるのではなく、燃料の一部 が触媒着火リアクタ２と主触媒リアクタ３との間の中間室１４内で気相中におい て燃焼されることを意味する。好ましくは、燃焼のより大きな部分が中間室１４ 内で気相中において起こり、残りの燃焼はなお触媒着火リアクタ２内で行われる 。 気相燃焼によって、炎は触媒着火リアクタ２の後で生じる。炎はそれに最も近 い主触媒リアクタの端表面１７を主触媒リアクタ３の着火温度まで急速に加熱す る。主触媒リアクタ３の端表面１７全体の均一な加熱を確保すると同時に運転中 に均一な流れ分布を確保するため、前記したように、第二の流れ均等化ネット１ ２が、２つの触媒リアクタ２、３の間に配置される。主触媒リアクタ３の表面温 度がその着火温度以上である時、質量の流れは、空気／燃料混合気の空気の量を 増加させることにより再び増加され、その後、質量の流れは更に増加される。質 量の流れの増加により、燃焼プロセスは、触媒着火リアクタ２および気相から主 触媒リアクタ３に徐々に移り、燃焼器１内の燃焼は始動状態から運転状態に変る 。 主触媒リアクタ３内の燃焼により発生する排気ガスは、熱交換器１６を通って 送られるため、排気ガスの熱含量は、加熱目的、例えば、自動車内のエンジンヒ ータまたは車両ヒータ内で用いられることが可能である。 システムの効率を上げるため、主触媒リアクタ３からの温排気ガスの小部分は 、図２に示した通り、第二の触媒リアクタ３の後の空間と空気ブロア５との間で 導管１９を通して再循環することが可能である。排気ガスの再循環された流れは 、これにより燃料の気化を達成するために用いることが可能である。更に、図２ において、前記した第一の熱交換器１６の下流に設置された第二の熱交換器２０ を通して空気ブロア５に空気を送ることにより、燃料を気化させると共に、シス テムの効率の向上を図る変形の方式を示した。この方式において、排気ガス中の 残留熱は、ブロア５への空気を加熱するために利用することが可能である。図２ に示した２つのシステムは、もちろん、統合される必要はなく別個に用いられる ことが可能である。加えて、燃焼器への燃料を予熱することが可能である。こう した予熱は、電気または燃焼熱を用いることにより始動プロセス中に実施するこ とが可能である。運転中においては、好ましくは、燃焼熱が用いられる。 そのうえ、燃焼器１は、主触媒リアクタ３の表面または熱交換器１６上にいわ ゆるペルチェ要素を配置することにより電気エネルギを発生させるために用いる ことが可能である。ペルチェ要素(Peltier element)は、相互に異なった温度を 有する２種の金属表面間に電圧差が生じる原理に基づいている。触媒リアクタの 外面上にペルチェ要素の一方の金属表面を配置することにより、その後、触媒リ アクタ内で発生する熱エネルギの一部を電気エネルギに変換することが可能であ る。この方式において、燃焼器は、自立とされると共に、接続されたシステムの ためのサポートチャージャとして用いることが可能である。 実施例 本発明を更に例示するため、本発明による燃焼器の着火のための着火シーケン スを以下において説明する。 図１に示した種類の触媒燃焼器を用いた。両方の触媒リアクタ２、３は、貴金 属ベースのモノリス型触媒リアクタ、すなわち、白金、パラジウムまたはロジウ ムの触媒表面を有する触媒リアクタであった。触媒着火リアクタ２の容積と主触 媒リアクタ３の容積との間の比は、０．０４１であった。触媒リアクタのセル密 度は、各触媒リアクタの断面積を通して計算して、４００ｃｅｌｌ／平方インチ であった。触媒リアクタ２、３の着火温度は、約２００℃であった。触媒リアク タの着火温度は、５０％の転化率を達成する温度として定義される。 触媒着火リアクタ２を４００℃に電気的に加熱する。その後、１．５のλ−値 を有する燃料／空気の混合気を導入する。空気の質量の流れを増加させることに より、９００℃の触媒着火リアクタ２の表面温度でλを２．５に増加させる。こ れにより、すべての燃焼は触媒着火リアクタ２内で起きる。その後、質量の流れ を２．５のλ−値において更に増加させることにより、燃焼の一部は、触媒着火 リアクタ２から移って、触媒着火リアクタ２と主触媒リアクタ３との間の中間室 １４内で発生する炎において気相中で起きる。主触媒リアクタ３の最も近い端表 面１７の表面温度が４００℃に達する時、質量の流れを更に増加させることによ り、すべての燃焼は、徐々に、触媒着火リアクタ２および中間室１４内の炎から 主触媒リアクタ３に移る。最終的なλ−値は２．８である。これで安定且つ均一 な運転燃焼に到達した。 説明してきた着火温度および運転温度は、用いた触媒リアクタおよび燃料を考 慮して選ばれる。しかし、温度は、用いられている燃料の種類に応じて比較的限 定された範囲でのみ挙動する。それゆえに、ガソリンを用いた場合、触媒リアク タの材料における温度は、約１０００℃であるのに対して、気相温度は約９５０ ℃であった。 燃焼器は、温度が多少低くても高くても作動する。最適な温度は、着火中にお ける動力消費に対する着火プロセスの速度を比較検討して決定される。例えば、 ８００℃の様に、予熱温度が高ければ、始動プロセスが４００℃より幾分清浄で あるという利点を更に有する。しかし、始動プロセスはわずかの量の排出質量し か生じないので、高い予熱温度において達成されることが可能な清浄度の向上は 、大部分の用途に対して重要ではない。予熱温度が低ければ、始動プロセス中に おけるエネルギー消費が少ないという利点を有する。 本願において説明した組合せ以外の触媒リアクタを用いる場合、着火および運 転のために適する温度は、もちろん、本願において記載したものから異なること がある。 上記の実施例から明らかなように、高い反応速度(reaction rate)は、低いλ −値により着火温度範囲内で得られる。線図１から推定できるように、反応速度 は、低いλ−値が高い反応速度をもたらすこの領域内の温度に強く依存する。質 量の移送(transport)が限定的である領域において、反応速度はあまり温度に依 存せず、その代わりに質量の流れに強く依存する。この領域において、λ−値の 増加と共に、効果発生が増える。 低い温度において、線図における領域Ａに対応して、燃焼が触媒リアクタの表 面上で開始される。反応は触媒リアクタの表面においてのみ起こり、温度は反応 混合気の温度に近い。この領域内で、反応速度は動力学的に制御される。温度が Ｔ１に達した時、触媒リアクタの着火温度に対応して、燃焼が、線図においてＢ と書かれた質量の輸送限定領域に達するまで温度は急速に上昇する。 質量移送の限定により、この領域内の反応速度は、ほんのわずか温度に依存す るだけである。燃料の濃度は触媒リアクタの表面近くで極めて低く、触媒リアク タの温度は、触媒リアクタを通る質量の流れの温度より高い。線図における領域 Ｃ内では、更に高い温度における気相燃焼が支配的であり、反応速度は指数関数 的に増加する。 本発明は本願において記載した実施例に限定されるとみなされるものではなく 、添付したクレームの範囲内で複数の更なる修正例および変形例を考えることが できる。 例えば、直列に配列された幾つかの触媒リアクタを用いて、多段プロセスにお いて主触媒リアクタを着火させる着火プロセスを用いることが可能である。 更に、触媒着火リアクタを電気的に加熱することは本発明のために必要ではな く、その代わりに従来の炎加熱を用いることが可能である。 主触媒リアクタにおける動力を増加させるため、主触媒リアクタの後で気相燃 焼も得るように質量の流れおよびλ−値を制御することが可能である。これは、 ある所定のサイズの触媒リアクタから、より大きな動力を取出すための一方法で ある。

【手続補正書】特許法第１８４条の８第１項 【提出日】平成１０年８月３１日（１９９８．８．３１） 【補正内容】 請求の範囲 １． 第一の触媒リアクタ（２）とそれに直列に配置された少なくとも第二の触 媒リアクタ（３）とを含むと共に、第一の触媒リアクタ（２）が、その着火温度 以上の温度、すなわち５０％の転化率を触媒リアクタ内で達成する温度に加熱さ れ、燃料と空気の混合気が第一の触媒リアクタ（２）に導入されることにより、 触媒燃焼が第一の触媒リアクタ（２）内で開始されるように構成された触媒燃焼 器（１）を着火および制御する方法であって、第一の触媒リアクタ（２）を通る 質量の流れが第一の触媒リアクタ（２）の着火後に増加されることにより、燃料 ／空気の混合気の燃焼が第一の触媒リアクタ（２）と第二の触媒リアクタ（３） との間の中間室（１４）内の気相中で部分的に起きると共に、炎により構成され る気相燃焼と共に触媒燃焼が第一の触媒リアクタ（２）に最も近い第二の触媒リ アクタ（３）の端表面（１７）を第二の触媒リアクタ（３）の着火温度以上の温 度、すなわち第二の触媒リアクタ（３）において５０％の転化率を得る温度に加 熱することを特徴とする方法。 ２． 請求の範囲１に記載の方法であって、触媒リアクタ（３）を通る質量の流 れが第二の触媒リアクタ（３）の着火後に調節され、実質的に全部の燃焼が第二 の触媒リアクタ（３）内で起きると共に、第一の触媒リアクタおよび気相におけ る燃焼が実質的に停止することを特徴とする方法。 ３． 請求の範囲２に記載の方法であって、 【手続補正書】 【提出日】平成１１年１月１１日（１９９９．１．１１） 【補正内容】 請求の範囲 １． 第一の触媒リアクタ（２）とそれに直列に配置された少なくとも第二の触 媒リアクタ（３）とを含むと共に、第一の触媒リアクタ（２）が、その着火温度 以上の温度、すなわち５０％の転化率を触媒リアクタ内で達成する温度に加熱さ れ、燃料と空気の混合気が第一の触媒リアクタ（２）に導入されることにより、 触媒燃焼が第一の触媒リアクタ（２）内で開始されるように構成された触媒燃焼 器（１）を着火および制御する方法であって、第一の触媒リアクタ（２）を通る 質量の流れが第一の触媒リアクタ（２）の着火後に増加されることにより、燃料 ／空気の混合気の燃焼が第一の触媒リアクタ（２）と第二の触媒リアクタ（３） との間の中間室（１４）内の気相中で部分的に起きると共に、炎により構成され る気相燃焼と共に触媒燃焼が第一の触媒リアクタ（２）に最も近い第二の触媒リ アクタ（３）の端表面（１７）を第二の触媒リアクタ（３）の着火温度以上の温 度、すなわち第二の触媒リアクタ（３）において５０％の転化率を得る温度に加 熱することを特徴とする方法。 ２． 請求の範囲１に記載の方法であって、触媒リアクタ（３）を通る質量の流 れが第二の触媒リアクタ（３）の着火後に調節され、実質的に全部の燃焼が第二 の触媒リアクタ（３）内で起きると共に、第一の触媒リアクタおよび気相におけ る燃焼が実質的に停止することを特徴とする方法。 ３． 請求の範囲２に記載の方法であって、第一の触媒リアクタ（２）に最も近 い第二の触媒リアクタ（３）の端表面（１７）の全部が第二の触媒リアクタ（３ ）の着火温度以上の温度に加熱された後、第二の触媒リアクタ（３）を通る質量 の流れを変更することを特徴とする方法。 ４． 請求の範囲１、２または３のいずれかに記載の方法であって、第一の触媒 リアクタ（２）がその着火温度に予熱され、第一の触媒リアクタ（２）が１を超 えるλ−値を有する燃料／空気混合気を供給されることにより、触媒燃焼が触媒 リアクタ（２）内で開始されると共に、触媒リアクタ（２）内の温度が着火温度 を超えて更に上昇され、その後、触媒リアクタにおける６０％〜１００％の転化 率に対応する触媒リアクタ温度において触媒リアクタを通る空気の質量の流れを 増加させることによりλ−値が上昇され、その後、一定のλ−値において質量の 流れが更に増加されることにより、燃焼の一部が第一の触媒リアクタ（２）から 移され、第一の触媒リアクタ（２）と第二の触媒リアクタ（３）との間の中間室 （１４）内で発生する炎にて気相内で起きることを特徴とする方法。 ５． 前記した請求の範囲のいずれかに記載の方法であって、中間室（１４）内 の気相燃焼が、第一の触媒リアクタ（２）の着火後に第一の触媒リアクタ（２） を通る質量の流れを増加させることにより達成されることを特徴とする方法。 ６． 前記した請求の範囲のいずれかに記載の方法であって、第一の触媒リアク タ（２）が電気的に予熱されることを特徴とする方法。 ７． 前記した請求の範囲のいずれかに記載の方法であって、第二の触媒リアク タ（３）の上流の燃焼が、第二の触媒リアクタ（３）の着火中に中間室（１４） 内の気相中で主として起きることを特徴とする方法。 ８． 第一の触媒リアクタ（２）とそれと直列に配列された少なくとも第二の触 媒リアクタ（３）とを含む触媒燃焼器であって、第一の触媒リアクタ（２）の容 積と第二の触媒リアクタ（３）の容積との間の比が４．５×^10-3〜０．１８、好 ましくは０．０１６〜０．０５であることを特徴とする触媒燃焼器。 ９． 第一の触媒リアクタ（２）とそれと直列に配列された少なくとも第二の触 媒リアクタ（３）とを含む触媒燃焼器であって、触媒リアクタの少なくとも１つ がネットからなることを特徴とする触媒燃焼器。 １０． 請求の範囲８または９のいずれかに記載の触媒燃焼器であって、スタテ ィックミキサ（１０）が第一の触媒リアクタ（２）の上流に設けられることを特 徴とする触媒燃焼器。 １１． 請求の範囲８、９または１０のいずれかに記載の触媒燃焼器であって、 第一の流れ均等化・混合ネット（１１）が第一の触媒リアクタ（２）の上流に設 けられることを特徴とする触媒燃焼器。 １２． 請求の範囲８〜１１のいずれかに記載の触媒燃焼器であって、第二の流 れ均等化ネット（１２）が第一の触媒リアクタ（２）と第二の触媒リアクタ（３ ）との間に設けられることを特徴とする触媒燃焼器。 １３． 請求の範囲８〜１２のいずれかに記載の触媒燃焼器であって、燃焼器に 空気を供給する空気ブロア（５）を含むと共に、触媒燃焼器から空気ブロア（５ ）に排気ガスの一部を戻すための導管（１９）が、第二の触媒リアクタ（３）の 下流で触媒リアクタ（３）と空気ブロア（５）との間に配置されることを特徴と する触媒燃焼器。 １４． 請求の範囲８〜１３のいずれかに記載の触媒燃焼器であって、空気ブロ ア（５）に空気を送ることが可能な熱交換器（２０）が第二の触媒リアクタ（３ ）の下流に配置されることを特徴とする触媒燃焼器。 １５． 請求の範囲８〜１４のいずれかに記載の触媒燃焼器であって、電気エネ ルギを取出すためのペルチェ要素が、第二の触媒リアクタ（３）に結合して配置 されることを特徴とする触媒燃焼器。 １６． 請求の範囲８〜１５のいずれかに記載の触媒燃焼器であって、車両にお ける暖房のために用いられることを特徴とする触媒燃焼器。 １７． 請求の範囲１６に記載の触媒燃焼器であって、前記車両は、前記燃焼器 から前記車両のエンジンに排気ガスを移送する導管が前記燃焼器の出口側と前記 エンジンの入口側の間に設けられた自動車であることを特徴とする触媒燃焼器。 １８． 触媒リアクタ（２）がその着火温度以上の温度、すなわち、５０％の転 化率を触媒リアクタ内で達成する温度に予熱されるように構成された触媒リアク タ（２）の着火プロセスを制御する方法であって、１を超えるλ−値を有する燃 料と空気との混合気（８）が第一の触媒リアクタ（２）に導入されることにより 、触媒燃焼が触媒リアクタ（２）内で開始されると共に、触媒リアクタ（２）内 の温度が着火温度を超えて更に上昇され、その後、触媒リアクタにおける６０％ 〜１００％の転化率に対応する触媒リアクタ（２）内の温度において触媒リアク タ（２）を通る質量の流れを増加させることにより、λ−値が、初期λ−値を超 える第二のλ−値に増加されることを特徴とする方法。 １９． 請求の範囲１８に記載の方法であって、初期λ−値が１と２との間であ り、第二のλ−値が２と４との間であることを特徴とする方法。 ２０． 触媒リアクタ（２）を含む触媒燃焼器の着火プロセスおよび運転を制御 する方法であって、触媒リアクタにおける温度およびそれによる効率が、燃焼器 に導入される空気／燃料混合気に対するλ−値を変えることにより制御され、λ −値を下げることにより触媒リアクタを高温とし、λ−値を上げることにより低 温とすることを特徴とする方法。 ２１． 請求の範囲２０に記載の方法であって、燃焼器が第一の触媒リアクタ（ ２）とそれに直列に配置された少なくとも第二の触媒リアクタ（３）を含むこと を特徴とする方法。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． 第一の触媒リアクタ（２）とそれに直列に配置された少なくとも第二の触 媒リアクタ（３）とを含むと共に、第一の触媒リアクタ（２）が、その着火温度 以上の温度、すなわち５０％の転化率を触媒リアクタ内で達成する温度に加熱さ れ、燃料と空気の混合気が第一の触媒リアクタ（２）に導入されることにより、 触媒燃焼が第一の触媒リアクタ（２）内で開始されるように構成された触媒燃焼 器（１）を着火および制御する方法であって、触媒燃焼器（１）を通る質量の流 れが第一の触媒リアクタ（２）の着火後に増加されることにより、燃料／空気の 混合気の燃焼が第一の触媒リアクタ（２）と第二の触媒リアクタ（３）との間の 中間室（１４）内の気相中で部分的に起きると共に、炎により構成される気相燃 焼と共に触媒燃焼が第一の触媒リアクタ（２）に最も近い第二の触媒リアクタ（ ３）の端表面（１７）を第二の触媒リアクタ（３）の着火温度以上の温度、すな わち第二の触媒リアクタ（３）において５０％の転化率を得る温度に加熱するこ とを特徴とする方法。 ２． 請求の範囲１に記載の方法であって、触媒リアクタ（３）を通る質量の流 れが第二の触媒リアクタ（３）の着火後に調節され、実質的に全部の燃焼が第二 の触媒リアクタ（３）内で起きると共に、第一の触媒リアクタおよび気相におけ る燃焼が実質的に停止することを特徴とする方法。 ３． 請求の範囲２に記載の方法であって、第一の触媒リアクタ（２）に最も近 い第二の触媒リアクタ（３）の端表面（１７）の全部が第二の触媒リアクタ（３ ）の着火温度以上の温度に加熱された後、第二の触媒リアクタ（３）を通る質量 の流れを変更することを特徴とする方法。 ４． 請求の範囲１、２または３のいずれかに記載の方法であって、第一の触媒 リアクタ（２）がその着火温度に予熱され、第一の触媒リアクタ（２）が１を超 えるλ−値を有する燃料／空気混合気を供給されることにより、触媒燃焼が触媒 リアクタ（２）内で開始されると共に、触媒リアクタ（２）内の温度が着火温度 を超えて更に上昇され、その後、触媒リアクタにおける６０％〜１００％の転化 率に対応する触媒リアクタ温度において触媒リアクタを通る空気の質量の流れを 増加させることによりλ−値が上昇され、その後、一定のλ−値において質量の 流れが更に増加されることにより、燃焼の一部が第一の触媒リアクタ（２）から 移され、第一の触媒リアクタ（２）と第二の触媒リアクタ（３）との間の中間室 （１４）内で発生する炎にて気相内で起きることを特徴とする方法。 ５． 前記した請求の範囲のいずれかに記載の方法であって、中間室（１４）内 の気相燃焼が、第一の触媒リアクタ（２）の着火後に第一の触媒リアクタ（２） を通る質量の流れを増加させることにより達成されることを特徴とする方法。 ６． 前記した請求の範囲のいずれかに記載の方法であって、第一の触媒リアク タ（２）が電気的に予熱されることを特徴とする方法。 ７． 前記した請求の範囲のいずれかに記載の方法であって、第二の触媒リアク タ（３）の上流の燃焼が、第二の触媒リアクタ（３）の着火中に中間室（１４） 内の気相中で主として起きることを特徴とする方法。 ８． 第一の触媒リアクタ（２）とそれと直列に配列された少なくとも第二の触 媒リアクタ（３）とを含む触媒燃焼器であって、第一の触媒リアクタ（２）の容 積と第二の触媒リアクタ（３）の容積との間の比が４．５×１０^-3〜０．１８、 好ましくは０．０１６〜０．０５であることを特徴とする触媒燃焼器。 ９． 第一の触媒リアクタ（２）とそれと直列に配列された少なくとも第二の触 媒リアクタ（３）とを含む触媒燃焼器であって、触媒リアクタの少なくとも１つ がネットからなることを特徴とする触媒燃焼器。 １０． 請求の範囲８または９のいずれかに記載の触媒燃焼器であって、スタテ ィックミキサ（１０）が第一の触媒リアクタ（２）の上流に設けられることを特 徴とする触媒燃焼器。 １１． 請求の範囲８、９または１０のいずれかに記載の触媒燃焼器であって、 第一の流れ均等化・混合ネット（１１）が第一の触媒リアクタ（２）の上流に設 けられることを特徴とする触媒燃焼器。 １２． 請求の範囲８〜１１のいずれかに記載の触媒燃焼器であって、第二の流 れ均等化ネット（１２）が第一の触媒リアクタ（２）と第二の触媒リアクタ（３ ）との間に設けられることを特徴とする触媒燃焼器。 １３． 請求の範囲８〜１２のいずれかに記載の触媒燃焼器であって、燃焼器に 空気を供給する空気ブロア（５）を含むと共に、触媒燃焼器から空気ブロア（５ ）に排気ガスの一部を戻すための導管（１９）が、第二の触媒リアクタ（３）の 下流で触媒リアクタ（３）と空気ブロア（５）との間に配置されることを特徴と する触媒燃焼器。 １４． 請求の範囲８〜１３のいずれかに記載の触媒燃焼器であって、空気ブロ ア（５）に空気を送ることが可能な熱交換器（２０）が第二の触媒リアクタ（３ ）の下流に配置されることを特徴とする触媒燃焼器。 １５． 請求の範囲８〜１４のいずれかに記載の触媒燃焼器であって、電気エネ ルギを取出すためのペルチェ要素が、第二の触媒リアクタ（３）に結合して配置 されることを特徴とする触媒燃焼器。 １６． 請求の範囲８〜１５のいずれかに記載の触媒燃焼器であって、車両にお ける暖房のために用いられることを特徴とする触媒燃焼器。 １７． 触媒リアクタ（２）がその着火温度以上の温度、すなわち、５０％の転 化率を触媒リアクタ内で達成する温度に予熱されるように構成された触媒リアク タ（２）の着火プロセスを制御する方法であって、１を超えるλ−値を有する燃 料と空気との混合気（８）が第一の触媒リアクタ（２）に導入されることにより 、触媒燃焼が触媒リアクタ（２）内で開始されると共に、触媒リアクタ（２）内 の温度が着火温度を超えて更に上昇され、その後、触媒リアクタにおける６０％ 〜１００％の転化率に対応する触媒リアクタ（２）内の温度において触媒リアク タ（２）を通る質量の流れを増加させることにより、λ−値が、初期λ−値を超 える第二のλ−値に増加されることを特徴とする方法。 １９． 請求の範囲１８に記載の方法であって、初期λ−値が１と２との間であ り、第二のλ−値が２と４との間であることを特徴とする方法。 ２０． 触媒リアクタ（２）を含む触媒燃焼器の着火プロセスおよび運転を制御 する方法であって、触媒リアクタにおける温度およびそれによる効率が、燃焼器 に導入される空気／燃料混合気に対するλ−値を変えることにより制御され、λ −値を下げることにより触媒リアクタを高温とし、λ−値を上げることにより低 温とすることを特徴とする方法。 ２１． 請求の範囲２１に記載の方法であって、燃焼器が第一の触媒リアクタ（ ２）とそれに直列に配置された少なくとも第二の触媒リアクタ（３）を含むこと を特徴とする方法。