JP2001235115A - 燃焼装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 気化燃料が予混合室１４の内側から供給され
るように設けられていると、内側と外側とで気化燃料の
供給ムラが生じ、下流の触媒燃焼部６で適切な触媒反応
が得られなくなる不具合を招く。 【解決手段】 触媒燃焼装置は、予混合室１４の上流の
ほぼ全域に拡大チャンバ容器１０１を備えるものであ
り、その内部空間Ａには気化器７で気化した気化燃料が
供給される。拡大チャンバ容器１０１における触媒燃焼
部６の対向面には、多数の噴孔１０２が形成されてお
り、その孔径は蒸発筒３０に近い内側が小さく、外側が
大きく設けられている。内部空間Ａに供給された気化燃
料は、多数の噴孔１０２から予混合室１４の全域へ放出
され、１次空気と混ざって濃度分布が均一な混合気とな
る。この結果、触媒燃焼部６へ均一な混合比の混合気を
供給でき、触媒燃焼部６の全域において適切な触媒反応
が得られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、液体燃料を気化さ
せ、その気化燃料を燃焼する燃焼装置に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】液体燃料を気化器で気化させ、その気化
燃料と空気とを予混合室で混合し、その混合気を燃焼部
で燃焼させる燃焼装置が知られている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】気化器で気化された気
化燃料は、気化燃料噴出孔から予混合室に供給されるよ
うに設けられている。このため、気化燃料噴出孔に近い
側の燃焼部へは気化燃料が多く供給され、逆に気化燃料
噴出孔から離れた側の燃焼部へは気化燃料の供給が少な
くなってしまう。つまり、予混合室内に混合比の濃度ム
ラが生じて、燃焼部へ均一な混合比の混合気を供給でき
なくなってしまう。本発明の目的は、上記の不具合を無
くすために、予混合室の全域へ気化燃料を供給できる燃
焼装置の提供にある。

【０００４】

【課題を解決するための手段】〔請求項１、２の手段〕
請求項１、２に記載の発明では、気化燃料案内手段によ
って予混合室の上流へ気化器で気化した気化燃料を案内
し、燃焼部に対向する予混合室の全域へ気化燃料を放出
するように設けられている。このように、燃焼部に対向
する予混合室の全域に気化燃料が供給されるため、その
下流側の燃焼部へ均一な混合比の混合気が供給される。

【０００５】〔請求項２の手段〕拡大チャンバ容器の燃
焼部の対向面に設けられた多数の噴孔の孔径は、拡大チ
ャンバ容器内における圧力の高い側が小さく、逆に圧力
の低い側が大きく設けられ、その孔径比は拡大チャンバ
容器内における圧力勾配に応じて設けられている。これ
により、拡大チャンバ容器の内圧の影響を受けることな
く、圧力の高い側の噴孔からも、圧力の低い側の噴孔か
らも、ほぼ同量の気化燃料を噴出できるため、予混合室
内における混合気の濃度ムラを極力抑えることができ
る。

【０００６】

【発明の実施の形態】次に、本発明の実施の形態を、構
成、作動、効果の順に説明する。 〔実施形態の構成〕図１〜図４は第１実施形態を示すも
ので、まず、図２を参照して触媒燃焼を行う燃焼装置を
搭載した温水加熱装置を説明する。なお、実施形態中に
示す上側は図２における上側を示し、下側は図２におけ
る下側を示すものとする。

【０００７】この実施形態に示す温水加熱装置は、多重
管構造を採用するもので、内側より燃焼筒１、排気筒
２、温水筒３を備える。なお、燃焼筒１は内部で燃料の
燃焼を行う筒であり、排気筒２は燃焼筒１および後述す
る外側空気案内筒９との間に環状の燃焼ガス通路４を形
成する筒であり、温水筒３は排気筒２との間に環状の温
水通路５を形成する筒である。

【０００８】燃焼筒１は、上側（燃料供給側）の小径筒
１ａと、下側（燃焼ガス排出側）の大径筒１ｂとからな
る耐熱性金属（ステンレス等）よりなる筒体であり、小
径筒１ａと大径筒１ｂは段差部１ｃを介して径が変化す
る。小径筒１ａの上側の内部には、触媒燃焼部６および
気化器７が配置されており、触媒燃焼部６および気化器
７よりやや下側の小径筒１ａの周囲には、燃焼筒１の内
部に２次空気を流入させるための２次空気吹出口８が複
数形成されている。

【０００９】また、小径筒１ａの周囲には、大径筒１ｂ
と同径の外側空気案内筒９（燃焼ガス通路４と外側空気
供給通路１０とを区画する隔壁）と、小径筒１ａよりや
や大径な内側空気案内筒１１とによる２重筒が配置され
ている。外側空気案内筒９と内側空気案内筒１１との間
の外側空気供給通路１０は、上側より供給される空気を
燃焼ガスと熱交換しながら段差部１ｃの上側のターン部
１２まで導くものである。また、内側空気案内筒１１と
小径筒１ａとの間の内側空気供給通路１３は、ターン部
１２でターンした空気を上側に導くものである。

【００１０】なお、内側空気供給通路１３における２次
空気吹出口８より上側の１次空気供給通路１５が、予混
合室１４へ１次空気を導く１次空気供給手段（空気供給
手段に相当する）であり、１次空気供給通路１５から予
混合室１４に供給される空気量は、触媒燃焼部６で低温
燃焼を行わせるために、燃料供給過剰となる空燃比（理
論空燃比よりも低空燃比）となるように調節されてい
る。

【００１１】一方、２次空気吹出口８は、触媒燃焼部６
の下流側の燃焼室１６に未燃焼燃料を完全燃焼させるの
に必要な２次空気を供給する手段であり、２次空気吹出
口８から燃焼筒１内に供給される空気量は、燃焼室１６
内の未燃焼燃料を完全燃焼するのに必要な空燃比（理論
空燃比よりも高空燃比）となるように調節されている。
なお、この実施形態では、予混合室１４に供給される１
次空気と、２次空気吹出口８から燃焼筒１内に供給され
る２次空気との割合は、例えば約１：２に設定されてい
る。

【００１２】排気筒２は、燃焼筒１の下側が閉塞した円
筒体であり、内面に燃焼ガスの熱を排気筒２に伝えるガ
ス伝熱フィン１７が形成されており、外面には温水通路
５を螺旋状に導く水側伝熱フィン１８が形成されてい
る。また、排気筒２の上側端部には、燃焼ガス通路４に
よって上側に導かれた燃焼ガスを外部に排出するための
排気筒排気穴１９が形成されている。

【００１３】温水筒３は、排気筒２同様、燃焼筒１の下
側が閉塞した円筒体であり、排気筒２の排気筒排気穴１
９に連通する温水筒排気穴２０が形成されている。ま
た、温水筒３の下側には、温水を温水通路５に導く温水
入口２１が形成されており、温水筒３の上側には、温水
を外部へ導く温水出口２２が形成されている。

【００１４】予混合室１４、排気筒２、温水筒３の上側
は、端板２３によって閉塞されている。この端板２３の
外側には、エアポンプ２４から空気流入口２５を介して
燃焼用の空気が内部に供給される空気流入筒２６が装着
されており、この空気流入筒２６内に供給された空気
は、端板２３に形成された空気供給孔２７を介して外側
空気供給通路１０に導かれる。

【００１５】一方、端板２３の内部には、燃焼筒１の小
径筒１ａ内に延びる気化器７が取り付けられている。こ
の気化器７は、液体燃料を熱で気化させてから触媒燃焼
部６の上流の予混合室１４へ導くためのもので、端板２
３に対して複数の絶縁材２８ａ、２８ｂを介して取り付
けられる中心電極管２９と、この中心電極管２９から液
体燃料の供給を受ける蒸発筒３０と、この蒸発筒３０内
に配置され、中心電極管２９からの通電によって発熱す
る蒸発用ヒータ３１とを備える。なお、中心電極管２９
の中心には、液体燃料を通す流路２９ａが形成されてい
る。

【００１６】蒸発筒３０の下側は、燃焼筒１内に臨む閉
端面３０ａであり、燃焼筒１内における燃焼熱を気化器
７内に伝えるように設けられている。なお、閉端面３０
ａの内部には、流路２９ａを介して供給された液体燃料
を毛細管現象や重力によって蒸発筒３０の底全域に拡散
させるための底用燃料吸収体（図示しない）が配置され
ている。なお、蒸発筒３０は、触媒燃焼部６、燃焼筒１
等を介してアース接地されるもので、中心電極管２９に
電圧が印加されると蒸発用ヒータ３１が触媒燃焼部６と
ともに通電される。

【００１７】ここで、予混合室１４の最も上流側である
上側（端板２３側）には、図１（ａ）に示すように、気
化燃料案内手段１００が設けられている。この気化燃料
案内手段１００は、触媒燃焼部６に対向する予混合室１
４の上流へ気化器７で気化した気化燃料を案内し、予混
合室１４の全域へ気化燃料を放出するものである。この
気化燃料案内手段１００は、触媒燃焼部６に対向する予
混合室１４の上流のほぼ全域に配置された拡大チャンバ
容器１０１を備える。この実施形態に示す拡大チャンバ
容器１０１は、蒸発筒３０と一体に設けられたものであ
り、絶縁を確保するために、端板２３との間に円盤状に
設けられた絶縁材２８ｂが介在してある。なお、この実
施形態では、拡大チャンバ容器１０１を蒸発筒３０と一
体に設けた例を示したが、拡大チャンバ容器１０１を蒸
発筒３０とは別体に設けて蒸発筒３０の周囲に配置して
も良い。

【００１８】拡大チャンバ容器１０１の内部空間Ａに
は、気化器７で気化した気化燃料が供給されるものであ
り、拡大チャンバ容器１０１における触媒燃焼部６の対
向面には、内部空間Ａ内に供給された気化燃料を予混合
室１４の上流の全域へ放出するための多数の噴孔１０２
が形成されている。拡大チャンバ容器１０１に形成され
た各噴孔１０２の孔径は、拡大チャンバ容器１０１内に
おける圧力の高い側（蒸発筒３０に近い内側）が小さ
く、圧力の低い側（蒸発筒３０から遠い外側）が大きく
設けられたものであり、その孔径比は拡大チャンバ容器
１０１内における圧力勾配に応じて設けられたものであ
る。つまり、蒸発筒３０に近い内側の孔径が小さく、外
側に向かうほど孔径が大きく設けられたものである。

【００１９】中心電極管２９の流路２９ａの開口端に
は、燃料タンク３３内に蓄えられた液体燃料（例えば軽
油等）が燃料ポンプ３４によって供給されるように設け
られている。一方、中心電極管２９は、電源端子３５を
介して電圧の印加を受けるように設けられている。電源
端子３５は、絶縁材３６を介して空気流入筒２６に貫通
配置されるもので、複数の固定ナット３７ａ、３７ｂに
挟持されて中心電極管２９に固定されている。

【００２０】蒸発用ヒータ３１は、多数の貫流孔３１ａ
を備える略ハニカム状に設けられたものであり、図１
（ｂ）に示すように、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３８ａ
（例えば厚さ５０μｍ）と波板３８ｂ（例えば厚さ５０
μｍ）とを溶接にて接合した帯状発熱体の表面に、アル
ミナ等の薄い絶縁層を設け、これの一端側を中心電極管
２９に溶接し、全体をこの中心電極管２９の周囲に巻き
付けたものである。なお、帯状発熱体の他端側は蒸発筒
３０に溶接にて接続されている。ここで、蒸発用ヒータ
３１を構成する帯状発熱体に、毛細管現象によって帯状
発熱体の全域へ液体燃料を拡散させる帯状燃料吸収体
（図示しない）を重ね巻き、蒸発筒３０の底部に供給さ
れた液体燃料を蒸発用ヒータ３１の全域に拡散するよう
に設けても良い。

【００２１】蒸発筒３０の周囲には、触媒燃焼部６が配
置されている。この触媒燃焼部６は多数の貫流孔６ａを
備える略ハニカム状に設けられた通電によって発熱する
通電発熱体の表面に、着火燃焼と部分酸化反応を促進さ
せる触媒（Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｎ等の貴金属、Ｎｉ、Ｃｕ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。

【００２２】具体的な触媒燃焼部６の構成は、上記の蒸
発用ヒータ３１と同様、図１（ｂ）に示すように、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３８ａと波板３８ｂとを溶接にて
接合した帯状発熱体の表面にアルミナ等の薄い絶縁層を
設け、さらにＰｔ、Ｐｄ等の触媒を担持したものを複
数、蒸発筒３０の周囲に巻き付けたものである。なお、
帯状発熱体の隣り合う間は溶接されておらず、絶縁が保
たれている。この触媒燃焼部６を構成する複数の帯状発
熱体の一端側は蒸発筒３０に溶接にて接続され、他端側
は外側電極３９を介して燃焼筒１に接続されており、中
心電極管２９が電圧の印加を受けると、蒸発用ヒータ３
１とともに通電されて発熱するように設けられている。

【００２３】蒸発用ヒータ３１および触媒燃焼部６の通
電制御、エアポンプ２４および燃料ポンプ３４の通電制
御は、図３に示す制御装置４０によって行われる。制御
装置４０は、手動操作される運転スイッチ４１の他に、
温水通路５内の温水温度を検出する水温センサ４２、燃
焼ガス通路４内の燃焼ガス温度を検出する排気温センサ
４３を備え、運転スイッチ４１がONされた状態で水温セ
ンサ４２の検出温度が運転開始温度より低い場合に燃料
の燃焼を開始させ、運転スイッチ４１がOFF された場合
や水温センサ４２の検出温度が運転停止温度より高い場
合に燃料の燃焼を停止させるものである。また、制御装
置４０は、水温センサ４２の検出温度に基づいて燃焼量
を増減するように設けられている。

【００２４】〔実施形態の作動〕実施形態の作動を図４
のタイムチャートに基づき説明する。運転スイッチ４１
がONされ、水温センサ４２の検出温度が運転開始温度よ
り低い場合は、燃焼を開始する。まず、エアポンプ２４
および燃料ポンプ３４を着火に適した低速で運転させる
とともに、蒸発用ヒータ３１および触媒燃焼部６を通電
する。

【００２５】燃料ポンプ３４が作動することにより、中
心電極管２９から蒸発筒３０の底へ液体燃料が供給さ
れ、図示しない底用燃料吸収体によって拡散した液体燃
料が蒸発用ヒータ３１によって加熱されて蒸発する。蒸
発筒３０内で蒸発した気化燃料は、蒸発筒３０の内部と
連通する拡大チャンバ容器１０１の内部空間Ａへ供給さ
れて、触媒燃焼部６に対向する予混合室１４の上流のほ
ぼ全域に広がる。内部空間Ａ内に供給された気化燃料
は、拡大チャンバ容器１０１における触媒燃焼部６の対
向面に形成された多数の噴孔１０２から予混合室１４の
ほぼ全域へ放出される。ここで、各噴孔１０２の孔径
は、内部空間Ａ内における圧力勾配に応じて、蒸発筒３
０に近い内側が小さく、蒸発筒３０から遠い外側が大き
く設けられており、内側の噴孔１０２からも、外側の噴
孔１０２からも、ほぼ同量の気化燃料が噴出される。こ
のため、拡大チャンバ容器１０１から予混合室１４の全
域へ均等の気化燃料を放出できる。

【００２６】一方、予混合室１４には、エアポンプ２４
の作動によって１次空気が供給されており、拡大チャン
バ容器１０１の各噴孔１０２から放出された気化燃料と
混ざって濃度が均一な混合気が予混合室１４の全域に形
成される。これによって、予混合室１４内に混合比の濃
度ムラが生じず、触媒燃焼部６へ均一な混合比の混合気
を供給できる。

【００２７】予混合室１４に気化燃料が供給される頃に
は、触媒燃焼部６も通電によって発熱して触媒が活性化
しており、予混合室１４から供給された混合気は貫流孔
６ａを通過する際に触媒の作用にて低温で触媒燃焼す
る。触媒燃焼部６での燃焼は、１次空気が不足している
ため、その未燃焼燃料は２次空気吹出口８から燃焼筒１
内に供給される２次空気によって完全燃焼される。この
運転開始初期であっても、未燃焼ガスは、活性化されて
触媒の作用で部分酸化反応が促進されているため、始動
時においても排気エミッションが低減される。

【００２８】排気温センサ４３の検出値によって着火が
確認されると（ｔ1 ）、エアポンプ２４および燃料ポン
プ３４を徐々に定常運転に移行させる。その後、排気温
センサ４３の検出値が所定温度に達すると（ｔ2 ）、蒸
発用ヒータ３１および触媒燃焼部６の通電を停止する。
なお、この実施形態では、排気温センサ４３の検出値に
よって、着火確認と、蒸発用ヒータ３１および触媒燃焼
部６の通電停止を行ったが、タイマー制御によって実施
しても良い。

【００２９】蒸発用ヒータ３１および触媒燃焼部６の通
電を停止するころまでに、燃焼によって発生した熱の伝
達によって蒸発用ヒータ３１および触媒燃焼部６が通電
を受けなくても高温になっているため、蒸発筒３０内に
供給した液体燃料が蒸発して気化するとともに、触媒燃
焼部６を通過する混合気が触媒燃焼する。

【００３０】定常運転に移行しても、予混合室１４から
触媒燃焼部６に供給される混合気は、理論空燃比よりも
燃料過剰であり、触媒燃焼部６での燃焼温度が低温（例
えば６００℃ほど）に抑えられる。この温度は、触媒の
耐熱温度（例えば９００℃）より低いため、触媒燃焼部
６に担持された触媒の劣化が防がれる。また、触媒燃焼
部６を通過する燃料過剰の混合気は、触媒燃焼部６によ
る部分酸化反応によって活性化ガスに変性する。

【００３１】触媒燃焼部６を通過した活性化ガスには、
２次空気吹出口８から２次空気が供給され、未燃焼燃料
の燃焼が行われる。燃焼筒１に供給される燃料供給量に
対する１次空気と２次空気の供給量は、総空燃比が１
７．５〜２９．２（空気過剰率１．２≦２）に設けられ
ており、２次空気吹出口８の下流の燃焼筒１内（燃焼室
１６内）において、燃料が完全燃焼する。

【００３２】燃焼筒１内で発生した高温の燃焼ガスは、
排気筒２の底でターンして排気筒２の内面に沿って流
れ、ガス伝熱フィン１７を介して温水通路５を流れる温
水を加熱し、排気筒排気穴１９および温水筒排気穴２０
を介して外部に排出される。一方、温水は、温水入口２
１から温水通路５に導かれ水側伝熱フィン１８を介して
燃焼ガスと熱交換されて加熱され、温水出口２２から外
部に流出する。この加熱された温水は、図示しない温水
ポンプによって、空調装置のヒータコアに送られ、ヒー
タコアを通過する空気と熱交換されて、車室内を暖房す
るようになっている。

【００３３】運転スイッチ４１がOFF されると、燃料ポ
ンプ３４がただちに停止され、燃料の供給が停止され
る。一方、エアポンプ２４は、所定時間ｔ4 に亘って運
転が継続され、残存燃料を燃焼させるとともに、燃焼筒
１の内部の冷却運転（ポストパージ運転）を行う。そし
て、所定時間ｔ4 後にエアポンプ２４も停止し、全機能
が停止する。

【００３４】〔実施形態の効果〕まず、気化燃料案内手
段１００を搭載しない場合の不具合を説明する。気化燃
料案内手段１００を搭載しない場合、蒸発筒３０に近い
側の予混合室１４へは気化燃料が多く供給され、逆に蒸
発筒３０から離れた側の予混合室１４へは気化燃料の供
給が少なくなってしまう。すると、予混合室１４内に混
合比の濃度ムラが生じて、その下流の触媒燃焼部６に、
過濃から希薄の混合比の混合気が供給される。すると、
触媒燃焼部６での触媒反応が適切に発生せず、過熱限界
を越えたり、反応停止限界を越えるなど、適切な触媒燃
焼反応温度が維持できない不具合が発生する。さらに、
触媒燃焼部６での触媒反応が適切に維持されないと、後
流の２次燃焼に影響がおよび、燃焼効率の低下が発生し
たり、排気エミッションが悪化するなどの不具合が発生
する。

【００３５】しかし、この実施形態では、触媒燃焼装置
に気化燃料案内手段１００を搭載したことにより、蒸発
筒３０内で蒸発した気化燃料は、拡大チャンバ容器１０
１の内部空間Ａを介して予混合室１４の上流のほぼ全域
に広がって多数の噴孔１０２から予混合室１４のほぼ全
域へ放出される。これによって、予混合室１４内に混合
比の濃度ムラが生じず、触媒燃焼部６へ均一な混合比の
混合気を供給できる。この結果、触媒燃焼部６の全域に
おいて触媒反応が適切に維持されることになり、触媒燃
焼部６の過熱が防止されるとともに、触媒反応不足によ
る燃料のガス化不全が防止される。さらに、触媒燃焼部
６の全域において触媒反応が適切に維持されることによ
り、後流の２次燃焼が適切に行われ、燃焼効率の低下
や、排気エミッションの悪化を防止できる。

【００３６】また、拡大チャンバ容器１０１の下面に形
成された多数の噴孔１０２の孔径は、内部空間Ａ内にお
ける圧力勾配に応じて、蒸発筒３０に近い内側が小さ
く、蒸発筒３０から遠い外側が大きく設けられているた
め、内側の噴孔１０２からも、外側の噴孔１０２から
も、ほぼ同量の気化燃料が噴出できる。つまり、拡大チ
ャンバ容器１０１の内圧の影響を受けることなく各噴孔
１０２から予混合室１４の全域へほぼ同量の気化燃料を
供給できる。この結果、予混合室１４内での混合比の濃
度ムラを極力抑えることができる。

【００３７】〔他の実施形態〕上記の実施形態では、多
数の噴孔１０２から気化燃料を予混合室１４内に供給す
る例を示したが、噴孔１０２に代わってスリットによっ
て気化燃料を予混合室１４内に供給するように設けても
良い。なお、スリットを採用する場合は、スリットの開
き幅を蒸発筒３０に近い内側を狭く、逆に蒸発筒３０か
ら遠い外側を広く設けることが好ましい。

【図面の簡単な説明】

【図１】触媒燃焼装置の要部断面図および巻回された帯
状発熱体の要部拡大図である。

【図２】温水加熱装置の概略断面図である。

【図３】制御装置の概略図である。

【図４】作動説明用のタイムチャートである。

【符号の説明】

６ 触媒燃焼部（燃焼部） ７ 気化器 １４ 予混合室 １５ １次空気供給通路（空気供給手段） １００ 気化燃料案内手段 １０１ 拡大チャンバ容器 １０２ 噴孔

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 近藤 靖男 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） 3K052 AA10 AB03 AC03 EA08 EB07 FA01 FA05 FA08

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】燃料の燃焼を行う燃焼部と、 この燃焼部の上流の予混合室へ液体燃料を気化させて供
   給する気化器と、 前記予混合室へ前記燃焼部で燃焼される空気を供給する
   空気供給手段と、 前記予混合室の上流へ前記気化器で気化した気化燃料を
   案内し、前記燃焼部に対向する前記予混合室の全域へ気
   化燃料を放出する気化燃料案内手段と、を備えた燃焼装
   置。
2. 【請求項２】請求項１の燃焼装置において、 前記気化燃料案内手段は、前記予混合室の上流に配置さ
   れ、前記気化器で気化した気化燃料が供給される拡大チ
   ャンバ容器を備え、この拡大チャンバ容器における前記
   燃焼部の対向面に設けられた多数の噴孔から気化燃料を
   放出するものであり、 前記噴孔の孔径は、前記拡大チャンバ容器内における圧
   力の高い側が小さく、圧力の低い側が大きく設けられ、
   その孔径比は前記拡大チャンバ容器内における圧力勾配
   に応じて設けられたことを特徴とする燃焼装置。