JP2001065807A

JP2001065807A - 燃焼装置

Info

Publication number: JP2001065807A
Application number: JP24561199A
Authority: JP
Inventors: Yasuo Kondo; 靖男近藤; Masanori Uehara; 昌徳上原; Akira Ito; 彰伊藤
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1999-08-31
Filing date: 1999-08-31
Publication date: 2001-03-16

Abstract

(57)【要約】【課題】触媒燃焼部４の下流側に２次空気を供給する
場合、供給する２次空気によって、触媒燃焼部４の下流
側に形成された着火火炎（１次燃焼による炎）が吹き消
されたり不安定になる不具合があった。【解決手段】触媒燃焼部４は、中心部の高温発熱層１
３と、その周囲の低温発熱層１４とからなり、高温発熱
層１３が低温発熱層１４に対して相対的に上流側へスラ
イドして設けられている。このスライドによって、高温
発熱層１３の下流部が低温発熱層１４の下流部よりも窪
んで設けられ、その窪み内に保炎空間２１が形成されて
いる。高温発熱層１３の下流で発生した着火火炎は、周
囲の低温発熱層１４によって覆われているため、２次空
気吹出口９から燃焼室６内に供給される２次空気流の影
響を受けにくく、２次空気が増加したり、低温化して
も、その２次空気流によって保炎空間２１内の着火火炎
が吹き消されたり、不安定になる不具合がない。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、通電を受けると発
熱する通電発熱体を搭載した燃焼装置に関するものであ
る。

【０００２】

【発明の背景】本願出願人は、通電発熱体を搭載した燃
焼装置を出願した（特願平１１−８０５９４号、この技
術は周知技術ではない）。この出願明細書に開示される
燃焼装置は、通電を受けると発熱する通電発熱体の上流
に予混合気を供給するとともに、通電発熱体の下流側に
も燃焼用の空気を供給するものであり、通電発熱体はハ
ニカム状を呈した略円柱、円盤形状のものであった。

【０００３】そして、上記出願明細書には、通電発熱体
として、内側に高温発熱層を配置し、その外側に低温発
熱層を配置したものがある。高温発熱層は、通電開始時
に低温発熱層に比較して素早く着火温度に達して燃焼を
開始するものであり、通電開始後、素早く高温発熱層の
下流側に着火火炎（燃料と１次空気による１次燃焼の火
炎）を形成するものである。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】通電発熱体が略円柱、
円盤形状のものでは、通電発熱体の下流側の端の面が平
坦になる。このため、通電発熱体の下流に供給された２
次空気の空気流によって、高温発熱層の下流側に形成さ
れた着火火炎が吹き飛ばされたり、冷却されることによ
り、吹き消えが生じ易くなる。これは、燃焼量が増大し
て２次空気の供給量が増すことにより、高温発熱層の下
流側に形成された着火火炎が吹き消されたり、不安定に
なる傾向があり、エミッションの増大の要因になってし
まう。

【０００５】

【発明の目的】本発明は、上記の事情に鑑みてなされた
もので、その目的は、高温発熱層の下流側に形成される
着火火炎の立ち消えを特別な保炎手段を用いることなく
防止できる燃焼装置の提供にある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】〔請求項１の手段〕この
実施形態では、高温発熱層の下流部は、通電発熱体の下
流側に形成された保炎空間内に開口しているため、高温
発熱層の下流側に形成された着火火炎（１次燃焼の炎）
が周囲の他の部分に覆われて保炎される。これにより、
通電発熱体の下流側に直接供給される２次空気の流れに
よって、保炎空間内に形成された着火火炎が吹き消され
たり不安定になる不具合が回避されるとともに、通電発
熱体の下流側に直接供給された空気によって、保炎空間
内の着火火炎が冷却されて吹き消されたり、不安定にな
る不具合が回避される。このように、高温発熱層の下流
側に形成された着火火炎が保炎空間内において常に安定
するため、エミッションの増加が防がれ、常にクリーン
な燃焼が可能になる。また、高温発熱層の下流の保炎空
間が通電発熱体自身によって形成されるため、特別な保
炎のための保炎手段を用いる必要がなく、保炎機能を有
した燃焼装置を安価に提供できる。

【０００７】〔請求項２の手段〕高温発熱層を形成する
ハニカム層を他の部分を形成するハニカム層に対して上
流側へずらすことにより、高温発熱層の下流部が他の部
分の下流部よりも窪んだ通電発熱体が形成できる。

【０００８】〔請求項３の手段〕高温発熱層を形成する
ハニカム層の幅を、他の部分を形成するハニカム層の幅
よりも狭く設けることにより、高温発熱層の下流部が他
の部分の下流部よりも窪んだ通電発熱体が形成できる。

【０００９】〔請求項４の手段〕通電を受けると発熱す
る通電発熱体は表面に触媒を担持したものであるため、
通電を受けると触媒の作用を高めることができ、始動開
始初期における触媒の作用を高めることができる。

【００１０】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を、２つの実
施形態および変形例を用いて説明する。〔第１実施形態〕図１、図２は第１実施形態を示すもの
で、まず、図１を基に触媒燃焼装置を説明する。なお、
実施形態中に示す上側は図１における上側を示し、下側
は図１における下側を示すものとする。

【００１１】この実施形態に示す触媒燃焼装置は、２重
管構造を採用するもので、内側の内筒１と、この内筒１
の下外側を覆う外筒２とを備える。なお、内筒１は内部
で燃料と空気との混合や燃料の燃焼を行う筒であり、外
筒２は内筒１との間に空気通路３を形成する筒である。

【００１２】内筒１は、耐熱性金属（ステンレス等）よ
りなる略有底の円筒体であり、その中間部分には触媒燃
焼部４（通電発熱体に相当する）が装着される。この触
媒燃焼部４の下側（燃料供給側）が燃料と空気とを混合
する予混合室５を形成する予混合筒１ａであり、触媒燃
焼部４の上側（燃焼ガス排出側）が触媒燃焼部４を通過
した燃料の燃焼を行う燃焼室６を形成する燃焼筒１ｂで
ある。

【００１３】予混合筒１ａの下側中央部分には、気化器
７から供給される気化燃料と、空気通路３を流れる空気
（１次空気）とを予混合筒１ａ内の予混合室５へ導く混
合気導入穴８が形成されている。また、触媒燃焼部４に
近い側の燃焼筒１ｂには、空気通路３によって供給され
る空気（２次空気）を燃焼筒１ｂ内の燃焼室６に流入さ
せるための２次空気吹出口９が複数形成されている。こ
の２次空気吹出口９については後述する。

【００１４】なお、混合気導入穴８から予混合室５に供
給される空気量は、予混合室５に供給される燃料供給量
に対して燃料供給過剰となる空燃比（理論空燃比よりも
低空燃比）となるように調整されるとともに、２次空気
吹出口９から燃焼室６に供給される空気量は、燃料供給
量に対して空気供給過剰となる空燃比（理論空燃比より
も高空燃比）となるように調整されるものである。

【００１５】混合気導入穴８に対向する外筒２には、燃
料タンク１０から燃料ポンプ１１（燃料供給手段に相当
する）によって送られてくる液体燃料（例えば軽油等）
を気化させて混合気導入穴８に供給する気化器７が装着
されている。また、外筒２の下側端部には、空気通路３
内に空気を供給するためのエアポンプ１２（空気供給手
段に相当する）が接続されている。

【００１６】触媒燃焼部４は、多数の貫流孔４ａを備え
る略ハニカム状通電発熱体の表面に、部分酸化反応を促
進させる触媒（Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｎ等の貴金属、Ｎｉ、Ｃ
ｕ等の金属、アルミナ、ジルコニア等の酸化物）を担持
したものである。なお、絶縁層を形成するアルミナ等の
酸化物層をそのまま利用しても部分酸化反応は可能であ
る。

【００１７】触媒燃焼部４は、中央の高温発熱層１３
と、その周囲に設けられた低温発熱層１４（他の部分に
相当する）とから構成されており、高温発熱層１３と低
温発熱層１４は区分して配置されている。高温発熱層１
３は、図２（ａ）に示すように、中心電極１５の周囲に
並列接続される２つのハニカム層１６を巻回したもので
あり、その周囲は筒状の中間電極１７に接続される。ハ
ニカム層１６は、例えばＦｅ−Ｃｒ−Ａｌフェライト系
ステンレス製の通電抵抗により発熱する平板１８（例え
ば厚さ５０μｍ）と波板１９（例えば厚さ５０μｍ）か
らなる帯状の通電発熱体の表面にアルミナ等の薄い絶縁
層を設け、その表面に着火燃焼と部分酸化反応促進のた
めのＰｔ、Ｐｄ等の触媒を担持したものである。なお、
この高温発熱層１３を主に着火用に用いて触媒の担持を
廃止しても良い。

【００１８】低温発熱層１４は、図２（ｂ）に示すよう
に、中間電極１７の周囲に並列接続される５つのハニカ
ム層１６を巻回したものであり、その周囲は筒状の外側
電極２０に接続される。ハニカム層１６は、上記と同
様、例えばＦｅ−Ｃｒ−Ａｌフェライト系ステンレス製
の通電抵抗により発熱する平板１８（例えば厚さ５０μ
ｍ）と波板１９（例えば厚さ５０μｍ）からなる帯状の
通電発熱体の表面にアルミナ等の薄い絶縁層を設け、そ
の表面に着火燃焼と部分酸化反応促進のためのＰｔ、Ｐ
ｄ等の触媒を担持したものである。

【００１９】高温発熱層１３と低温発熱層１４は、直列
接続されたものであり、中心電極１５に電圧が印加され
ると、高温発熱層１３では２つのハニカム層１６に電流
が分流して流れるのに対し、低温発熱層１４では５つの
ハニカム層１６に電流が分流して流れることになる。こ
れによって、高温発熱層１３を構成するハニカム層１６
一つ当りの電流量は、低温発熱層１４を構成するハニカ
ム層１６一つ当りの電流量より多く、結果的に高温発熱
層１３の体積当りの発熱量と、低温発熱層１４の体積当
りの発熱量との比率は、例えば約５：１であり、通電開
始後、素早く高温発熱層１３が着火温度に上昇する。

【００２０】高温発熱層１３は、低温発熱層１４に対し
て相対的に上流側軸方向へスライドさせて設けられてお
り、高温発熱層１３の下流部が低温発熱層１４の下流部
よりも窪んで設けられ、その窪み内に保炎空間２１が形
成されている。

【００２１】触媒燃焼部４の中心の中心電極１５は、絶
縁ブッシュ２２を介して内筒１および外筒２の外部へ導
かれる電源端子２３に接続されるものであり、触媒燃焼
部４の外側は外側電極２０を介して内筒１にアース接続
されており、外側電極２０を介して中心電極１５が電圧
の印加を受けると、触媒燃焼部４が通電されて発熱す
る。

【００２２】ここで、触媒燃焼部４の下流側に２次空気
を供給する２次空気吹出口９には、燃焼室６に供給され
る燃焼用の２次空気流によって保炎空間２１へ向かう保
炎用の燃焼流を生じさせるための保炎用流体押込手段が
設けられている。この実施形態における保炎用流体押込
手段は、２次空気吹出口９の内側に取り付けられた偏向
流ガイド９ａであり、２次空気吹出口９から燃焼室６内
に供給される２次空気を接線方向に向けて、燃焼室６内
に旋回流を生じさせるものである。

【００２３】燃焼室６内に旋回流が生じることにより、
燃焼室６内の中心部分に触媒燃焼部４へ向かう逆流Ａが
生じ、この逆流Ａによる燃焼流によって保炎空間２１へ
向かう保炎用の燃焼流が生じる。また、燃焼室６内に生
じる旋回流によって１次燃焼による燃料を含んだ未燃焼
ガスと２次空気との混合性が向上し燃焼効率を高めるこ
とができる。一方、触媒燃焼部４に向かう逆流Ａによっ
て排気ガスの一部が触媒燃焼部４側に戻されて未燃焼ガ
スに混入するため、急激な燃焼が抑えられて排気エミッ
ションを低減できる。さらに、２次燃焼が旋回するた
め、燃焼筒１ｂを短くでき、燃焼装置を小型化できる。

【００２４】この実施形態の作動を説明する。図示しな
い運転スイッチがONされると、図示しない制御装置によ
り、電源端子２３に電力が供給され、中心電極１５→高
温発熱層１３→低温発熱層１４→内筒１の経路で通電さ
れる。中心電極１５に電圧が印加されると、高温発熱層
１３が素早く燃料の着火温度に上昇するとともに、低温
発熱層１４が燃料を部分酸化させる触媒の活性化温度に
上昇する。

【００２５】高温発熱層１３が着火温度以上に発熱する
時期に達すると、制御装置が燃料ポンプ１１およびエア
ポンプ１２を通電し、燃料および燃焼用空気の供給を開
始する。ここで、燃料ポンプ１１およびエアポンプ１２
は、着火に適した低速で運転させ、着火後に増速させる
ように設けられている。

【００２６】液体燃料は、燃料タンク１０から燃料ポン
プ１１によって気化器７に送られる。気化器７は、例え
ば電熱蒸発器を内蔵するものであり、気化器７で気化し
た燃料は混合気導入穴８から予混合室５へ送られる。燃
焼用空気は、エアポンプ１２により空気通路３内に供給
され、混合気導入穴８から予混合室５へ送られるととも
に、２次空気吹出口９から燃焼室６内に供給される。

【００２７】なお、混合気導入穴８から予混合室５へ送
られる空気量と、２次空気吹出口９から燃焼室６内に供
給される空気量との比率は、例えば１：２に設定される
ものであり、混合気導入穴８と２次空気吹出口９から内
筒１内に供給される空気量は、予混合室５に供給される
燃料に対する空燃比が１７．５〜２９．２（１．２≦空
気過剰率≦２）に設けられている。予混合室５に供給さ
れる燃料と１次空気の割合は空燃比が理論空燃比（空気
と燃料との重量比１４．６）以下の燃料過剰（空気過剰
率≦１）であり、この混合気は予混合室５で混合された
後に触媒燃焼部４に流入する。

【００２８】高温発熱層１３および低温発熱層１４を貫
流する混合気は、担持された触媒によって触媒反応し、
ガス化燃料（ＣＯ、Ｈ2 、軽質成分燃料等）に変性す
る。そして、このガス化燃料は、２次空気吹出口９から
吹き出される２次空気と混合して可燃性混合気を形成す
る。この可燃性混合気は、高温発熱層１３の流出側で容
易に着火し、その着火火炎は保炎空間２１内で保炎状態
に移行する。そして、この着火火炎によって下流側の燃
焼室６で燃料の燃焼が安定して行われ、燃焼室６内で燃
料が完全燃焼する。なお、定常燃焼時では、燃焼室６に
おける燃焼熱を触媒燃焼部４が受けるため、触媒燃焼部
４の通電を停止しても、触媒燃焼部４が触媒活性温度以
上に維持され、自立安定燃焼を継続する。

【００２９】ここで、触媒燃焼部４を通過する混合気
は、上述のように触媒反応によってガス化燃料を生成
し、高温発熱層１３の下流端で瞬時着火する。その着火
火炎（１次燃焼による火種）は窪み内の保炎空間２１で
保炎状態に移行する。定常運転に移行するなどにより、
燃焼量が増大し、２次空気吹出口９から燃焼室６内に供
給される空気量が増加すると、偏向流ガイド９ａの作用
で燃焼室６内に高速の旋回流が形成される。これによっ
て、燃焼室６内の中心部分に触媒燃焼部４へ向かう逆流
Ａが生じ、この逆流Ａによる燃焼流によって保炎空間２
１へ向かう保炎用の燃焼流が生じる。

【００３０】これによって、２次空気吹出口９から供給
される２次空気量が増加して、２次空気流の流速が燃焼
速度以上で、且つ２次空気が低温であっても、その空気
流は保炎空間２１内の着火火炎と直接干渉せず、旋回流
の中心部に形成される比較的低速の燃焼ガスによる循環
流と混合する。この循環流は燃焼量（燃料の供給量）に
ほぼ比例して増大するので、保炎空間２１内の着火火炎
は安定化状態を維持する。さらに、相乗効果として、安
定化した保炎の放射熱によって保炎空間２１内が蓄熱さ
れ、保炎空間２１内の種火が一層安定化する。

【００３１】なお、燃焼室６内で燃焼完結した高温の燃
焼ガスは、図示しない熱交換器を介してエンジン冷却水
等の熱媒体液を加熱して外部へ排気ガスとして排出され
る。一方、燃焼ガスによって加熱された高温の熱媒体液
は図示しないウォーターポンプによって室内空調装置の
ヒータコアに送られる。そして、このヒータコアを通過
する空気が温められて室内に吹き出され、車室内を暖房
する。

【００３２】〔実施形態の効果〕この実施形態では、高
温発熱層１３の下流部は、触媒燃焼部４の下流側に形成
された保炎空間２１内に開口しているため、高温発熱層
１３の下流側に形成された着火火炎が周囲の低温発熱層
１４に覆われて保炎される。これにより、触媒燃焼部４
の下流側に直接供給される２次空気の流れによって、保
炎空間２１内に形成された着火火炎が吹き消されたり不
安定になる不具合が回避されるとともに、触媒燃焼部４
の下流側に直接供給された空気によって、保炎空間２１
内の着火火炎が冷却されて吹き消されたり、不安定にな
る不具合が回避される。

【００３３】このように、高温発熱層１３の下流側に形
成された着火火炎が保炎空間２１内において常に安定す
るため、エミッションの増加が防がれ、常にクリーンな
燃焼が可能になる。また、高温発熱層１３の下流の保炎
空間２１が触媒燃焼部４自身によって形成されるため、
特別な保炎のための保炎手段を用いる必要がなく、保炎
機能を有した燃焼装置を安価に提供できる。

【００３４】さらに、上記で示したように、触媒燃焼部
４では空気供給不足による低温燃焼が行われるため、触
媒の過熱が防がれ、長期に亘って安定して触媒燃焼を行
うことができる。さらに、触媒燃焼部４が１段で済み、
触媒燃焼部４で活性化された未燃焼燃料を完全に燃焼す
るシンプルな構成を採用するものであるため、触媒燃焼
装置の小型化が可能になり、低コスト化が可能になる。

【００３５】〔第２実施形態〕図３は触媒燃焼装置の概
略断面図である。この第２実施形態は、図３に示すよう
に、高温発熱層１３を形成するハニカム層１６の幅が、
低温発熱層１４を形成するハニカム層１６の幅よりも狭
く設けられ、これによって高温発熱層１３の下流部が低
温発熱層１４の下流部よりも窪んで設けられ、その窪み
内に保炎空間２１が形成されたものである。

【００３６】〔変形例〕上記の実施形態では、気化器７
を用いて液体燃料を気化させた後に触媒燃焼させた例を
示したが、ガス燃料等を予混合室５に供給するように設
けたり、燃料噴射装置によって霧化した燃料を予混合室
５内に供給するように設けても良い。上記の実施形態で
は、触媒燃焼装置を自動車の暖房装置に用いた例を示し
たが、家庭用の暖房装置、給湯装置、乾燥機、工業用の
バーナなど他の燃焼装置に適用しても良い。

【図面の簡単な説明】

【図１】触媒燃焼装置の概略断面図である（第１実施形
態）。

【図２】触媒燃焼部の分解斜視図である（第１実施形
態）。

【図３】触媒燃焼装置の概略断面図である（第２実施形
態）。

【符号の説明】

４触媒燃焼部（通電発熱体）４ａ貫流孔５予混合室６燃焼室９２次空気吹出口１１燃料ポンプ（燃料供給手段）１２エアポンプ（空気供給手段）１３高温発熱層１４低温発熱層（他の部分）１６ハニカム層１８平板１９波板２１保炎空間

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者伊藤彰愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地株式会社デンソー内Ｆターム(参考） 3K017 BC10 BD01 BD02 3K065 TK03 TK06

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】流体が流れる多数の貫流孔を有するハニカ
ム状を呈し、通電を受けると発熱する通電発熱体と、この通電発熱体の上流の予混合室に燃料を供給する燃料
供給手段と、前記予混合室および前記通電発熱体の下流の燃焼室に空
気を供給する空気供給手段と、を備える燃焼装置であっ
て、前記通電発熱体は、他の部分よりも高温に発熱する高温
発熱層が前記他の部分と区画して設けられ、前記高温発熱層の下流部は、前記他の部分の下流部より
も窪んで設けられ、その窪み内に保炎空間が形成された
ことを特徴とする燃焼装置。
【請求項２】請求項１の燃焼装置において、前記通電発熱体は、平板と波板とを組み合わせたハニカ
ム層を積層して設けられ、前記通電発熱体の内側に前記高温発熱層が形成され、そ
の外側に前記他の部分が形成され、前記高温発熱層を形成するハニカム層が、前記他の部分
を形成するハニカム層に対して上流側へずらして設けら
れたことにより、前記高温発熱層の下流部が前記他の部
分の下流部よりも窪んで設けられたことを特徴とする燃
焼装置。
【請求項３】請求項１の燃焼装置において、前記通電発熱体は、平板と波板とを組み合わせたハニカ
ム層を積層して設けられ、前記通電発熱体の内側に前記高温発熱層が形成され、そ
の外側に前記他の部分が形成され、前記高温発熱層を形成するハニカム層の幅が、前記他の
部分を形成するハニカム層の幅よりも狭く設けられたこ
とにより、前記高温発熱層の下流部が前記他の部分の下
流部よりも窪んで設けられたことを特徴とする燃焼装
置。
【請求項４】請求項１ないし請求項３のいずれかの燃焼
装置において、前記通電発熱体は、表面に触媒が担持して設けられたこ
とを特徴とする燃焼装置。