JP2005180371A - 排気後処理装置用補助装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 微粒化特性を改善し、燃焼特性の良いバーナとして機能する排気後処理装置用補助装置を提供すること。
【解決手段】 第１通路８を介して空気を噴霧ノズル７に送給する構成とし、インジェクタ１０により燃料を第１通路８に供給し、グロープラグ６によって噴霧ノズル７内で燃料を加熱して、燃料の微粒子化を促進させ、噴孔７Ｂから燃料を良好に噴霧させる。円筒管１９を配設して導通路を形成し、噴霧ノズル７からの噴流体を導通路を介して開口２Ａから送出させる。第２通路２２から空気を導通路内に供給し、円筒管１９内の点火プラグ２０により燃料を燃焼させて火炎ガスを供給する。噴霧ノズル７から空気だけを噴射することにより噴霧ノズル７の内部や噴孔７Ｂ及び装置内の付着物を洗浄することができ、これにより動作の安定性と信頼性を向上させることができる。噴霧ノズルの先端部外周に環状吐出口を設け、通路からの空気をスカート状に放出し、噴霧燃料が円筒管の壁面に付着するのを防止できるようにする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、内燃機関用の排気後処理装置用補助装置に関する。

近年、内燃機関の排気中に含まれる各種物質を除去するため、種々の排気後処理装置が開発されてきている。この種の装置として、ディーゼル機関の排気に含まれるディーゼル微粒子（ＰＭ）を除去するためのフィルタを備えた排気後処理装置が実用化されている。例えば、ディーゼル機関の排気温度を上昇させるための酸化触媒とＰＭ捕集用のフィルタとを組み合わせた構成の装置が用いられている。この酸化触媒を用いた排気後処理装置は、排気温度を酸化により上昇させるので、燃費を改善することができるという利点を有している。この種のフィルタを備えた排気後処理装置は、フィルタによって捕集されたＰＭの量が所定量に達すると目づまり状態となり、排気の通過を困難にさせる。そこで、一般にフィルタの再生方式として、電気ヒータによる再生、触媒による再生及び軽油バーナによる再生が用いられている。

電気ヒータによる再生は、供給電力の制約により熱の散逸が大きくなる熱伝導率の大きいフィルタには適さない。触媒による再生は、排気温度が低い走行条件では、触媒が活性化されず機能しないので、このような場合にはバーナ等で排気温度を上昇させることにより触媒の活性化を図っている。軽油バーナによる再生は、高出力のため、短時間で再生可能であり、燃料を直接燃焼させ熱に変換させるため効率が良いという利点を有しているので、フィルタ再生において軽油バーナは重要な機能の一つである。バーナの種類としては、燃料をノズルより直接噴射させ、燃焼させる噴霧バーナ、及び燃料を加熱蒸発し、空気と混合してから燃焼させる予混合バーナの２種類がある。

ところで、酸化触媒とＰＭ捕集フィルタとを組み合わせた排気後処理装置にあっては、触媒が活性化している条件（３００°Ｃ以上）では、フィルタの再生は軽油バーナを使用してＰＭを燃焼させるよりも、酸化触媒に生燃料を供給して活性化を図る方が効率が高いとされている。

フィルタを再生する場合には燃焼特性が良いとされる予混合バーナが選択される傾向がある。しかし、燃料蒸発装置を必要とするため、構造がその分複雑となり、燃料を蒸発させる分のエネルギー消費が多くなるという問題点を有している。

一方、噴霧バーナは、噴霧の微粒化が十分でなく軽油を燃料とする軽油バーナの燃焼特性が悪いという問題点を有している。すなわち、噴霧粒子が大きいと蒸発に時間を要するので、空気との混合が悪くなり、着火性や燃焼特性が予混合式に劣るという問題点を有している。

また、酸化触媒のみによる排気温度の上昇作用には限界があるので、酸化触媒とフィルタとを組み合わせて排気浄化を行うようにした排気後処理装置にあっては、酸化触媒が活性化していない場合には、軽油バーナを用いて酸化触媒をその活性化温度にまで加熱し、その後、必要に応じて燃料を供給するようにし、一方酸化触媒が活性化している場合には、燃料の供給を停止するようにする補助装置を設ける構成が考えられる。このような補助装置は有効に触媒を利用することが可能となるため排気後処理装置の能力を十分に活用するのに有用である。

しかし、燃料が軽油の場合は一般的な圧力ノズルでは微粒化が悪く、バーナ燃焼が安定的に継続するか疑問である。バーナの場合は保災機能を持つ燃焼室（高温部）が必要である。また、燃料を供給した場合その殆どが排気管の壁面に付着し、効果を気体できないと判断される。

本発明の目的は、従来発明における上述の問題点を解決することができる、改良された排気後処理装置用補助装置を提案することにある。

本発明の目的は、噴霧バーナの特性を残しながら微粒化特性を改善し、燃焼特性の良いフィルタ再生用の噴霧バーナとして機能する排気後処理装置用補助装置を提供することにある。

本発明の目的は、酸化触媒とフィルタとを用いた排気後処理装置において、排気温度によらず酸化触媒を常に活性化状態で使用可能なようにしてフィルタの再生を有効に行うことができるようにした排気後処理装置用補助装置を提供することにある。

上記課題を解決するための本発明の特徴は、排気中のディーゼル微粒子を除去するためのフィルタを備えた排気後処理装置に火炎ガスを供給するための排気後処理装置用補助装置において、出口部を有するハウジングと、前記ハウジング内に設けられ先端部に噴孔を有する噴霧ノズルと、該噴霧ノズルに空気を送るための第１通路と、該第１通路内に燃料を供給するためのインジェクタと、前記噴霧ノズル内に設けられた加熱装置と、前記噴孔からの噴霧流体を前記出口部へ導くため一端開口が前記噴孔に対向して接近配置され他端開口が前記出口部に接続されるようにして前記ハウジング内に設けられた導通路と、前記導通路内に前記噴孔側から前記出口部側に向かう空気流を生じさせるため前記ハウジング内に空気を送るための第２通路と、前記導通路内の燃料に点火するための点火器とを備えた点にある。

インジェクタからの燃料は第１通路内を通る空気と共に噴射ノズルに送られ、ここで加熱装置によって昇温され、燃料がガス化しやすい状態とされる。噴霧ノズルからは微粒子化した霧化燃料が導通路に送られ、第２通路から１の空気と共に点火器に達し、ここで霧化燃料と空気との混合気が点火され、火炎ガスを出口部より噴出させることができる。このように、排気後処理装置用補助装置は、噴霧バーナとして働き、排気後処理装置内の温度を効率よく上昇させることができる。

噴霧ノズルの内部にグロープラグ又はヒータを加熱装置として配置する構成とすることができる。グロープラグ又はヒータは、本装置の始動時に作動させ、安定運転状態ではその作動を停止する構成とすることもできる。グロープラグ又はヒータの出力が、燃料を完全にガス化させる出力よりは小さい出力で動作させることもできる。噴霧ノズルの内部に導入する空気の流量はバーナとしての燃焼に必要とする理論空気量より小さい値にすることができる。噴霧ノズル内部のグロープラグ又はヒータの外周部に、そこを流れる流圧の乱れを増加させ又は流れに方向性を与えるため、螺旋溝、ネジ部、スワーラー、金属メッシュ等を形成又は挿入する構成とすることもできる。

噴霧ノズルとして種々の形態のものを用いることができる。スワールノズル以外の形態では、ノズルの噴孔部を多噴孔とし、軸線より離れる方向に噴出方向を設定するように構成することもできる。第２通路からの混合用の空気が燃焼室に入る入口部の位置を噴霧ノズルの噴孔部より上流側に設定し、混合用の空気が噴霧を通過して燃焼室に流入する様に構成することもできる。

混合用の空気を供給するための空気ポンプと混合用の空気入口の流路に電磁弁を設けることで、運転条件に応じて、例えばバーナ始動時、着火時等には、混合用の空気の供給を制御することが可能なように構成しても良い。

また、燃焼室の出入口径を燃焼室径より小さく設定することもできる。点火器及び燃焼確認装置を燃焼室内に設定する場合、外周側からラジアル方向に設置する構成とすることができる。

インジェクタによる燃料の供給において、その駆動パルス信号のデューティー比やパルス幅を変更することで燃料流量（出力）を制御する構成とすることもできる。バーナを運転しない場合でも、第１通路から空気を流し、噴霧ノズル内側、その噴孔部、又は点火器等の洗浄を行うことができる。

本発明によれば、また、排気温度を上昇させるための酸化触媒とＰＭ捕集用フィルタとを備えた排気後処理装置に生燃料又は火炎ガスを供給するための排気後処理装置用補助装置であって、出口部を有するハウジングと、該ハウジング内に設けられ先端部に噴孔を有する噴霧ノズルと、該噴霧ノズルに空気を送るための通路と、該通路内に燃料を供給するためのインジェクタと、前記噴霧ノズル内に設けられた加熱装置と、前記噴孔からの噴出流体を前記出口部へ導くため一端開口が前記噴孔に対向して接近配置され他端開口が前記出口部に接続されるようにして前記ハウジング内に設けられた導通路と、前記噴霧ノズルの前記先端部の外周を囲む環状吐出口を有し前記噴孔からの前記噴出流体と前記導通路の内壁面との間にスカート状の空気流を生じさせるための第１空気送給手段と、前記導通路内に前記噴孔側から前記出口部側に向かう空気流を生じさせるため前記ハウジングと前記導通路との間に形成される空間に空気を送るための第２空気送給手段と、前記導通路内の燃料に点火するための点火器とを備えたことを特徴とする排気後処理装置用補助装置が提案される。

インジェクタからの燃料は通路内を通る空気と共に噴霧ノズルに送られ、ここで加熱装置によって昇温され、燃料がガス化しやすい状態とされる。噴霧ノズルからは微粒子化した霧化燃料が導通路に送られ、第２空気送給手段からの空気と共に点火器に達し、ここで霧化燃料と空気との混合気が点火され、火炎ガスを出口部より噴出させることができる。このように、排気後処理装置用補助装置は、噴霧バーナとして働き、排気後処理装置内の温度を効率よく上昇させることができる。第２空気送給手段から供給される空気は、ハウジングと導通路との間に形成される空間を通って導通路内に入るので、導通路内で生じる燃料熱によるハウジングの温度上昇を緩和させることができる。

噴霧ノズルからの霧化燃料をそのまま出口部より供給する場合には、第１空気送給手段から導通路内に空気を送給することによりその環状吐出口よりの空気がスカート状に拡がり、噴霧燃料はスカート状に拡がった空気によって包み込まれた状態で出口部に導かれ、噴霧燃料が導通路の内層面に付着するのを有効に防止できる。

噴霧ノズルの内部にグロープラグ又はヒータを加熱装置として配置する構成とすることができる。グロープラグ又はヒータは、本装置の始動時に作動させ、安定運転状態ではその作動を停止する構成とすることもできる。グロープラグ又はヒータの出力が、燃料を完全にガス化させる出力よりは小さい出力で動作させることもできる。噴霧ノズルの内部に導入する空気の流量はバーナとしての燃焼に必要とする理論空気量より小さい値にすることができる。噴霧ノズル内部のグロープラグ又はヒータの外周部に、そこを流れる流圧の乱れを増加させ又は流れに方向性を与えるため、螺旋溝、ネジ部、スワーラー、金属メッシュ等を形成又は挿入する構成とすることもできる。

噴霧ノズルとして種々の形態のものを用いることができる。スワールノズル以外の形態では、ノズルの噴孔部を多噴孔とし、軸線より離れる方向に噴出方向を設定するように構成することもできる。

第１空気送給手段及び又は第２空気送給手段に電磁弁を設けることで、運転条件に応じて、例えばバーナ始動時、着火時等には、空気の供給を制御することが可能なように構成しても良い。

また、導通路内に形成される燃焼室の出入口径を燃焼室径より小さく設定することもできる。点火器及び燃焼確認装置を燃焼室内に設定する場合、外周側からラジアル方向に設置する構成とすることができる。

インジェクタによる燃料の供給において、その駆動パルス信号のデューティー比やパルス幅を変更することで燃料流量（出力）を制御する構成とすることもできる。バーナを運転しない場合でも、通路に空気を流し、噴霧ノズル内側、その噴孔部、又は点火器等の洗浄を行うことができる。

本発明によれば、燃料蒸発型予混合バーナよりも燃料蒸発装置が不要な分、小型・省エネルギーであり空気でノズル内部や噴孔部を洗浄できるため、良好な動作を確保でき、信頼性が向上する等の効果を期待することができる。また、運転条件に応じて酸化触媒を常に活性化状態で使用することが可能となり、酸化触媒の排気温度上昇効果を確実なものとしてフィルタ再生のための燃料消費量を低減できる。また、空気でノズル内部や噴孔部が洗浄できるため、良好な動作を確保でき、信頼性が向上する。

図１〜図３は、排気後処理装置の再生のために用いられる、本発明による補助装置の一実施形態を示す図である。図１はその断面図、図２は図１の左側面図、図３は図１のＡ−Ａ線断面図である。

補助装置１００は、図示しない排気後処理装置に取り付けられて使用され、排気中のＰＭを捕集するためのフィルタを備えた排気後処理装置のフィルタ再生モード運転時に、排気後処理装置に火炎ガスを供給するための装置である。補助装置１００は、円筒状のハウジング本体１の一端にハウジングプレート２を全周溶接等により固定し、その他端にカバーフランジ３を固定部材５によって固定して成るハウジング４を備え、ハウジングプレート２には開口２Ａが設けられている。開口２Ａは、補助装置１００をハウジングプレート２によって排気後処理装置に固定したときに、補助装置１００からの火炎ガスを排気後処理装置へ送り出すための出口部を形成する開口である。

カバーフランジ３の取付孔３Ａには、グロープラグ６が固定されている。ここでは、グロープラグ６の外周面に設けられているねじ溝６Ａによってグロープラグ６が取付孔３Ａに螺着されており、グロープラグ６のヒータ部６Ｂがハウジング４内に略同軸に突出している。グロープラグ６には図示しない電源から加熱用の電力が供給され、これによりヒータ部６Ｂが加熱される構成となっている。

ハウジング４内には、ヒータ部６Ｂを覆うようにしてキャップ状の噴霧ノズル７が固定されており、ヒータ部６Ｂは噴霧ノズル７の円筒状空間７Ａ内にわずかな隙間を持って収容されている。ヒータ部６Ｂは噴霧ノズル７内に加熱装置として設けられ、後述するように噴霧ノズル７内の燃料の温度を上昇させその霧に円滑に流れるようになっている。噴霧ノズル７の先端部には円筒状空間７Ａに連通する複数の噴孔７Ｂが形成されており、円筒状空間７Ａの内周面にはねじ溝７Ａａが形成されている。

噴霧ノズル７内部のグロープラグ６外周部に螺旋状のネジ溝７Ａａを設けることで、燃料が噴霧ノズル７内に滞留し易い構成となると同時に内部での流体の流れの乱れが増加するため、燃料の微粒化の促進、グロープラグ６からの受熱効率の増加、燃料の噴出量の一定化（間欠→連続）、の効果が期待できる。したがって、この部分はネジ形状以外でも良い。例えば、耐熱金属のメッシュを挿入したり、スワーラーを形成して、スワールノズルとすることもできる。

カバーフランジ３には、一端が円筒状空間７Ａと連通している第１通路８が設けられており、第１通路８の他端には空気導入口９が設けられている。

空気導入口９には図示しない空気ポンプからの圧縮空気を供給できる構成となっており、空気導入口９から送り込まれた圧縮空気は第１通路８を通って円筒状空間７Ａ内に入り、噴孔７Ｂからハウジング４内に送り出される構成となっている。

第１通路８内に燃料を噴射できるようにするため、燃料供給用のインジェクタ１０が設けられている。インジェクタ１０には、軽油の燃料タンクより燃料ポンプで加圧されプレッシャーレギュレータで一定圧に調整された燃料が供給されている。このポンプは作動時のみ運転される。図１〜図３では、インジェクタ１０への燃料の供給システムは図示するのを省略している。

インジェクタ１０は、固定部材５によってハウジング４に固着されている固定プレート１２に適宜の手段で固定されている。インジェクタ１０の噴射ポート１０Ａは連結路１３によって第１通路８に連結されている。

上述の構成により、空気が送られている第１通路８内に燃料を噴射し、噴孔７Ｂから燃料を噴霧させることができる。

噴孔７Ｂから噴霧される空気と燃料との混合流体を開口２Ａに導くための導通路を形成するため、ハウジング４内には両端が開口している円筒管１９が設けられている。

円筒管１９は、一端が噴孔７Ｂに対向して接近配置され他端がハウジングプレート２に全周溶接接続されており、噴孔７Ｂからの噴霧流体を、開口２Ａに導くことができるようになっている。なお、噴霧ノズル７の先端部の噴孔７Ｂは、スワールノズル以外では多噴孔ノズルで噴出方向が軸線とある角度を持って作られている。これにより、噴孔７Ｂからの噴霧が円筒管１９の内壁面に衝突する様になっている。

円筒管１９内には、円筒管１９内に入ってきた燃料に点火するための点火プラグ２０が設けられており、円筒管１９内に燃焼室が形成されている。２３はフレームロッドである。ハウジング本体１の外周側には点火プラグ２０及びフレームロッド２３が挿入される穴が形成されていて、ガスケットで気密性を確保し、固定プレートと固定ボルトで組み付けられる。

本実施の形態では、円筒管１９の一端において、噴霧ノズル７の先端部が円筒管１９内に入り込んでおり、噴霧ノズル７の外周面と円筒管１９の内周面との間に比較的大きな隙間２１が生じるように構成されている。

この隙間２１を介して、円筒管１９内に燃料燃焼用の空気を入れることができるようにするため、ハウジング本体１には第２通路２２が設けられている。図示しない空気ポンプにより第２通路２２に導入された空気はハウジング４内に入り、隙間２１を介して円筒管１９内に入り、開口２Ａから放出される。なお、空気ポンプと第２通路２２を連結する流路にはＯＮ／ＯＦＦ制御する電磁弁（図示せず）が配置され、第２通路２２からの空気供給を制御可能な構成としてある。空気ポンプの運転は作動時のみで良い。

補助装置１００では、噴孔７Ｂの下流側に燃焼室を形成し、その外側に二次空気を導入しているので、この空気の流路が空気層となり、断熱効果を持つ。よって、燃焼熱がバーナ外部に放出されることを予防し、利用熱効率の向上を図っている。また、燃焼室は、内壁が高温状態となることで、噴霧のガス化の推進と燃焼の継続性が図られ、仮に、失火状態になっても火種が確保されてその維持に役立つ。また、空気をスワール流として供給できるほか、空気と燃焼火炎との混合の促進が図れる。

また、第２通路２２からの空気の燃焼室への流入部が噴孔７Ｂより、上流側に存在するので、空気は必ず噴霧を貫通して燃焼室に流入し、燃焼火炎と空気との混合が更に向上する。

この空気と第１通路８からの空気の合計空気量を、バーナ燃焼が必要とする理論空気量より大きくする場合（λ≧１）、燃焼特性は空気過剰率：λで１．６≧λ≧１．２が好ましい。ＤＰＦバーナでは、エンジンの排気ガス中に酸素が存在するため、λ＜１でも運転は可能であるが運転状態は急変する可能性が存在するため、λ≧１で運転するのが好ましい。

燃焼室の出入口の径が燃焼室内径より小さくすると、特にバーナ始動時等に点火できなかった場合、未燃噴霧はＤＰＦ部に流出して未燃ＨＣとして排出されてしまうが、本構造では大部分は、燃焼室内に留まる。その後、燃焼が開始されれば、未燃燃料は加熱・ガス化され、燃焼するので、排気ガスを悪化させることが無くなる。

バーナ始動時においては過濃混合気状態でないと点火が困難であるので、第２通路２２からの空気の供給を停止する必要があるが、本構成では、第２通路２２よりの空気の供給が制御可能（供給のＯＮ、ＯＦＦ）となっているので、上記制御が可能である。

補助装置１００は以上のように構成されているので、インジェクタ１０を作動させて燃料を供給し、噴霧ノズル７からの噴霧燃料と第２通路２２からの空気との混合体に点火プラグ２０で着火し、火炎ガスを供給してフィルタ内のＰＭを燃焼させその再生を図ることができる。

また、噴霧ノズル７に、第１通路８を介して圧縮空気のみを送ることができる構成となっているため、空気で噴霧ノズル７の内部や噴孔７Ｂ及び装置内の付着物を洗浄できるため良好な動作を確保でき、信頼性が向上する。

次に、補助装置１００の作動について説明する。

フィルタの再生時、グロープラグ６に通電する。この通電は、噴霧ノズル７の内部を燃料が蒸発しやすい程度に加熱するだけでも十分である。従来の噴霧バーナの微粒化が悪い原因は、軽油の物性値である粘性と表面張力が大きいことに起因する。この特性は、温度の上昇で低下する特性がある。補助装置１００では、グロープラグ６で加熱することで、燃料温度を上昇させ、特性改善を図っている。つまり、グロープラグ６は燃料を全て気化（ガス化）する目的で使用するのではなく、温度上昇のために用いるので、低出力の仕様で良い。また、燃焼が開始し、燃焼室の温度が上昇すれば、微粒化が良くない燃料でも燃料室部で加熱され瞬時にガス化し良好な燃焼を継続することが可能となる。よって、グロープラグ６への通電を停止しても問題無い。

次に、空気ポンプを作動させ、空気導入口９から空気を第１通路８を介して噴霧ノズル７内に導入する。その後、インジェクタ１０を作動させて燃料を送り込み、噴孔から燃料が細かい粒子状となった噴霧が噴出すると同時に点火プラグ２０を作動させ、この粒子状の燃料に着火させる。そして、フレームロッド２３から着火信号を検出したら、点火プラグ２０の作動を停止させ、第２通路２２の上流に配置している電磁弁を作動させ、空気をハウジング４内に導入する。バーナ出力が目標出力及び目標空気過剰率となる様に、インジェクタ１０及び空気ポンプの吐出量を調整する。

定常運転時には、円筒管１９の内壁温度が十分上昇し、安定状態と判断される状態となれば、グロープラグ６の通電を停止する。安定状態の判定は運転時間に基づいて行うことができる。つまり、円筒管１９の内壁での熱交換でガス化燃焼するので、過度の微粒化が必要無い。

インジェクタ１０は高温環境に弱いためバーナ噴出部等の高温部位に直接用いることはできない。また、燃料の出力調整が必要な場合は、間欠噴射となるためインジェクタ１０は連続燃焼には適さない。このため、補助装置１００では、インジェクタ１０を噴霧ノズル７の噴孔７Ｂのある噴出部より離れた場所に設置し、インジェクタ１０と該噴出部の間にある程度のデットボリュームを形成することで、上記の問題を解決している。

この構成によると、インジェクタ１０より噴出した微粒子化された燃料は、噴出と同時に圧力エネルギーを失い、噴孔からの噴出速度が極端に低下する。すなわち、噴孔７Ｂから垂れるような噴霧となる。よって、第２通路２２から空気を導入し、高速の空気流によるせん断と噴出効果により、微粒化と流出速度を得るようにし、噴孔７Ｂの形成した方向に噴霧が形成される構成となっている。また、この空気は大量に必要とせず、バーナ燃焼が必要とする理論空気量よりも小さく設定（λ＜１）している。

フィルタ再生に用いるバーナの場合、仕様環境が非常に厳しいという問題がある。例えば、噴霧ノズル７内に燃料が残留している場合、排気温度が高温状態では、残留燃料が蒸し焼き状態となり、カーボンとして堆積する。また、排気ガスが噴霧ノズル７内に流入し、ＰＭや未燃のＨＣが付着し、最悪の場合、噴孔７Ｂを塞いでしまう。

補助装置１００では、そのバーナ動作の停止後も第１通路８から空気を噴霧ノズル７に導入することで、噴霧ノズル７内の残留燃料を確実に排出できる。また、バーナ動作休止時も定期的に、若しくはＰＭの排出量の多い運転状態時に同様にして空気を噴霧ノズル７に導入することで噴霧ノズル７内部、噴孔７Ｂ更にその下流側に位置する点火プラグ２０等も排気ガスの被ばくを防止し、洗浄効果を得ることができる。つまり、信頼性の向上が図れる。

図４には、噴霧ノズル７の他の構成を説明するための要部拡大図が示されている。図４に示した噴霧ノズル７１は、その内部にネジ溝に代えてスワール流れを形成するためのスワーラ７１Ａを設けた点で図１に示した噴霧ノズル７と異なっている。したがって、図４の各部のうち図１と同一の部分には同一の符号を付してある。スワーラ７１Ａは噴霧ノズル７１の本体部の内の空間７１Ｂに圧入固定されており、グロープラグ６のヒータ部６Ｂがスワーラ７１Ａを貫通して噴霧ノズル７となり、その先端が噴孔７Ｂ近くまで延びている。ここでは、噴孔７Ｂは中央部に１個だけ設けられている。噴孔７Ｂからの噴霧は円錐状にある放射角度を持って噴出する。

この構成によれば、円筒状空間７Ａ内にネジ溝７Ａａを設けなくてもよく、噴霧ノズル７１の加工が簡単になり、低コスト化を図ることができる。

図５には、噴霧ノズル７の他の構成を説明するための要部拡大図が示されている。図５に示した噴霧ノズル７２は、その内部にネジ溝に代えて耐熱ステンレス製のメッシュ７２Ａを設けた点で図１に示した噴霧ノズル７と異なっている。したがって、図５の各部のうち図１と同一の部分には同一の符号を付してある。メッシュ７２Ａは噴霧ノズル７２の基部付近に配設されヒータ部６Ｂの外周面に嵌め合わされている。符号７２Ｂで示されるのは、メッシュ７２Ａを図５に示される位置に位置決めしておくためのストッパである。

この構成によれば、円筒状空間７Ａ内にネジ溝７Ａａを設けることなく、メッシュ７２Ａを空気及び燃料が通過するときに空気及び燃料の流れの乱れを増加させ、燃料の微粒化を促進させることができるので、噴霧ノズル７２の加工が簡単になり、低コスト化を図ることができる。

図６〜図８は、排気後処理装置の活性化のために用いられる、本発明による補助装置の他の実施形態を示す図である。図６はその断面図、図７は図６の左側面図、図８は図６のＡ−Ａ線断面図である。

補助装置２００は、排気温度を上昇させるための酸化触媒と排気中のＰＭ捕集するためのフィルタとを備えた排気後処理装置に、生燃料又は火炎ガスを供給するための装置であり、排気後処理装置に取り付けられて使用される。補助装置２００は、円筒状のハウジング本体２０１の一端にハウジングプレート２０２を全周溶接等により固定し、その他端にカバーフランジ２０３を固定部材２０５によって固定して成るハウジング２０４を備え、ハウジングプレート２０２には開口２０２Ａが設けられている。開口２０２Ａは、補助装置２００を排気後処理装置（図示せず）にハウジングプレート２０２によって固定したときに、補助装置２００からの生燃料又は火炎ガスを排気後処理装置へ送り出すための出口部を形成する開口である。

カバーフランジ２０３の取付孔２０３Ａには、グロープラグ２０６が固定されている。ここでは、グロープラグ２０６の外周面に設けられているねじ溝２０６Ａによってグロープラグ２０６が取付孔２０３Ａに螺着されており、グロープラグ２０６のヒータ部２０６Ｂがハウジング２０４内に略同軸に突出している。グロープラグ２０６には図示しない電源から加熱用の電力が供給され、これによりヒータ部２０６Ｂが加熱される構成となっている。

ハウジング２０４内には、ヒータ部２０６Ｂを覆うようにしてキャップ状の噴霧ノズル２０７が固定されており、ヒータ部２０６Ｂは噴霧ノズル２０７の空間２０７Ａ内にわずかな隙間をもって収容されている。噴霧ノズル２０７の先端部には空間２０７Ａに連通する複数の噴孔２０７Ｂが形成されており、空間２０７Ａの内周面にはねじ溝２０７Ａａが形成されている。

噴霧ノズル２０７の内に螺旋状のねじ溝２０７Ａａを設けることで、燃料が噴霧ノズル２０７内に滞留し易い構成となると同時に内部での流体の流れの乱れが増加するため、燃料の微粒化の促進、グロープラグ２０６からの受熱効率の増加、燃料の噴出量の一定化（間欠→連続）の効果が期待できる。したがって、この部分はネジ形状以外でも良い。例えば、耐熱金属のメッシュを挿入したり、スワーラーを形成して、スワールノズルとすることもできる。

カバーフランジ２０３には、一端が空間２０７Ａと連通している通路２０８が設けられており、通路２０８の他端には空気導入口２０９が設けられている。

空気導入口２０９には図示しない空気ポンプからの圧縮空気を供給できる構成となっており、空気導入口２０９から送り込まれた圧縮空気は通路２０８を通って空間２０７Ａ内に入り、噴孔２０７Ｂからハウジング２０４内に送り出される構成となっている。

通路２０８内に燃料を噴射できるようにするため、燃料供給用のインジェクタ２１０が設けられている。インジェクタ２１０には、軽油の燃料タンクより燃料ポンプで加圧されプレッシャーレギュレータで一定圧に調整された燃料が供給されている。このポンプは作動時のみ運転される。図６〜図８では、インジェクタ２１０への燃料の供給システムは図示するのを省略している。

インジェクタ２１０は、固定部材２０５によってハウジング２０４に固着されている固定プレート２１２に適宜の手段で固定されている。インジェクタ２１０の噴射ポート２１０Ａは連結路２１３によって通路２０８に接続されている。

上述の構成により、空気が送られている通路２０８内に燃料を噴射し、噴孔２０７Ｂから燃料を噴霧させることができる。

噴霧ノズル２０７にはキャップ部材２１５が覆設され、噴霧ノズル２０７とキャップ部材２１５の間には、これにより、噴霧ノズル２０７の先端部の外周を囲む環状通路２１６が形成されている。すなわち、キャップ部材２１５の円筒状突部２１５Ａ内に、噴霧ノズル２０７の先端部がわずかな隙間をあけて収容されるようにしてキャップ部材２１５が噴霧ノズル２０７に覆設されており、これにより円筒状突部２１５Ａの内周面と噴霧ノズル２０７の先端部の外周面との間に環状通路２１６が形成されている。この結果、噴霧ノズル２０７の先端部の外周を囲む環状吐出口２１６Ａが形成されている。なお、キャップ部材２１５はガスケットＧを介してカバーフランジ２０３にボルトＢで固定されている。

環状通路２１６はカバーフランジ２０３内に形成されている通路２１７の一部を構成するもので、通路２１７は、通路２１７の他端に設けられている空気導入口２１８から導入される圧縮空気を環状吐出口２１６Ａからハウジング２０４内に送り込むための第１空気供給部を構成している。

環状吐出口２１６Ａからの空気は、噴霧ノズル２０７の先端部からスカート状に拡がるエアカーテンを構成するので、このエアカーテンによって噴孔２０７Ｂから噴霧される噴霧燃料が飛び散るのを有効に抑えることができる。

噴孔２０７Ｂから噴射される流体を開口２０２Ａに導くための導通路を形成するため、ハウジング２０４内には両端が開口している円筒管２１９が設けられている。円筒管２１９は、一端が噴孔２０７Ｂに対向して接近配置され他端がハウジングプレート２０２に全周溶接接続されており、噴孔２０７Ｂからの流体及び環状通路２１６からの空気を、開口２０２Ａに導くことができるようになっている。

噴霧ノズル２０７の先端部の噴孔２０７Ｂは、スワールノズル以外では多噴孔ノズルで噴出方向が軸線とある角度を持って作られている。これにより、噴孔２０７Ｂからの噴霧が円筒管２１９の内壁面に衝突する様になっている（図９参照）。しかし、噴孔２０７Ｂから噴霧が出ている場合に、噴射ポート２１０Ａから空気を噴出させると、スカート状に拡がる空気によって噴孔２０７Ｂからの噴霧が包み込まれ、噴孔２０７Ｂからの噴霧が円筒管２１９の内壁面に衝突するのを防止することができる（図１０参照）。すなわち、噴射ポート２１０Ａの空気により円筒管２１９の内壁面と噴孔２０７Ｂからの噴霧との間に空気層が形成され、これにより噴孔２０７Ｂからの噴霧が円筒管２１９の内壁面に衝突するのを防止することができる。

円筒管２１９内には、円筒管２１９内に入ってきた燃料に点火するための点火プラグ２２０が設けられており、円筒管２１９内に燃焼室が形成されている。２２３はフレームロッドである。ハウジング本体２０１の外周側には点火プラグ２２０及びフレームロッド２２３が挿入される穴が形成されていて、ガスケットで気密性を確保し、固定プレートと固定ボルトで組み付けられる。

本実施の形態では、円筒管２１９の一端において、噴霧ノズル２０７の先端部が円筒管２１９内に入り込んでおり、且つキャップ部材２１５の外周面と円筒管２１９の内周面との間に比較的大きな隙間２２１が生じるように構成されている。

この隙間２２１を介して、円筒管２１９内に燃料燃焼用の空気を入れることができるようにするため、ハウジング本体２０１には通路２２２が設けられている。通路２２２は、図示しない空気ポンプにより導入された空気をハウジング２０４と円筒管２１９との間の空間に供給するための第２空気供給部を構成するもので、通路２２２はハウジング２０４の周層であってハウジングプレート２０２に近い部分に開口している。このようにして、ハウジング２０４内に供給された空気は、隙間２２１を介して円筒管２１９内に入り、開口２０２Ａから放出される。なお、空気ポンプと第１及び第２空気供給部とを連結する流路にはＯＮ／ＯＦＦ制御する電磁弁が配置され空気供給を制御可能な構成としてある。空気ポンプの運転は作動時のみで良い。

補助装置２００では、噴孔２０７Ｂの下流側に設けられた円筒管２１９内に燃焼室が形成されることになり、その外側に通路２２２から空気を導入しているので、この空気の流路に空気層が形成され、断熱効果を持つ。よって、燃焼熱がバーナ外部に放出されることを予防し、利用熱効率の向上を図っている。また、燃焼室が形成される円筒管２１９の内壁が高温状態となることで、噴霧のガス化の推進と燃焼の継続性が図られ、仮に、失火状態になっても火種が確保されてその維持に役立つ。また、空気をスワール流として供給できるほか、空気と燃焼火炎との混合の促進が図れる。

また、通路２２２からの空気の燃焼室への流入部が噴孔２０７Ｂより、上流側に存在するので、空気は必ず噴霧を貫通して燃焼室に流入し、燃焼火炎と空気との混合が更に向上する。

この空気と通路２０８からの空気の合計空気量を、バーナ燃焼が必要とする理論空気量より大きくする場合（λ≧１）、燃焼特性は空気過剰率：λで１．６≧λ≧１．２が好ましい。ＤＰＦバーナでは、エンジンの排気中に酸素が存在するため、λ＜１でも運転は可能であるが運転状態は急変する可能性が存在するため、λ≧１で運転するのが好ましい。

燃焼室の出入口の径を燃焼室内径より小さくすると、特にバーナ始動時等に点火できなかった場合、未燃噴霧はＤＰＦ部に流出して未燃ＨＣとして排出されてしまうが、本構造では大部分は、燃焼室内に留まる。その後、燃焼が開始されれば、未燃燃料は加熱・ガス化され、燃焼するので、排気を悪化させることがなくなる。

バーナ始動時においては過濃混合気状態でないと点火が困難であるので、通路２２２からの空気の供給を停止する必要があるが、本構成では、通路２２２よりの空気の供給が制御可能となっているので、上記制御が可能である。

補助装置２００は以上のように構成されているので、インジェクタ２１０を作動させて燃料のみを噴霧供給することにより酸化触媒の活性化を図る、点火プラグ２２０を作動させて噴霧燃料に着火し、火炎ガスを供給して酸化触媒のより一層の活性化を図るなど、そのときの機関の運転状態に合わせて適切な活性化を行うことができる。

このように、内燃機関の運転条件によらず、酸化触媒を常に活性化状態で使用でき、酸化触媒の効果で燃料消費量、ＨＣ、ＣＯの排出量を低減できる。

また、噴霧ノズル２０７には、通路２０８を介して圧縮空気を送ることができる構成となっているため、空気で噴霧ノズル２０７の内部や噴孔２０７Ｂ及び装置内の付着物を洗浄できるため良好な動作を確保でき、信頼性が向上する。

次に、補助装置２００の作動について説明する。先ず、排気後処理装置の酸化触媒の活性状況が低く、補助装置２００を軽油バーナとして使用する場合につき、始動時と定常運転時とに分けて説明する。

始動時、グロープラグ２０６に通電し噴霧ノズル２０７の内部を加熱する。次に、空気ポンプを作動させ、空気導入口２０９から空気を噴霧ノズル２０７内に導入する。その後、インジェクタ２１０を作動させて燃料を送り込み、噴孔から噴霧が噴出すると同時に点火プラグ２２０を作動させ、噴霧燃料に着火させる。そして、フレームロッド２２３から着火信号を検出したら、点火プラグ２２０の作動を停止させ、通路２２２の上流に配置している電磁弁を作動させ、空気をハウジング２０４内に導入し、円筒管２１９内に流す。バーナ出力が目標出力及び目標空気過剰率となる様に、インジェクタ２１０及び空気ポンプの吐出量を調整する。

定常運転時には、円筒管２１９の内壁温度が十分上昇し、安定状態と判断される状態となれば、グロープラグ２０６の通電を停止する。安定状態の判定は運転時間に基づいて行うことができる。つまり、円筒管２１９の内壁での熱交換でガス化燃焼するので、過度の微粒化が必要ない。

次に、軽油バーナの使用で酸化触媒が活性化状態となり、燃料噴射を実施する場合について説明する。酸化触媒が活性化状態かどうかの判定には、酸化触媒の近傍に温度センサーを配置し、その測定値より判定するのが好ましい。十分活性化状態と判断された場合で且つ、酸化触媒の活性化のための更なる温度上昇のため、燃料噴射が必要と判断された場合は以下の操作を実施する。

一度、バーナ燃焼を停止するために、インジェクタ２１０の燃料噴射を停止し完全に消火させる。その後、通路２２２への空気送給用の電磁弁を停止し、空気の供給を停止する。次に、該電磁弁を作動させ、通路２２２から空気を供給する。グロープラグ２０６の作動が停止している場合は通電を再開し、目標燃料供給量及び目標空気量となる様にインジェクタ２１０の作動と空気ポンプの調整を実施する。環状吐出口２１６Ａからのスカート状空気流により噴孔２０７Ｂでの噴霧角が縮小され、円筒管２１９の内壁面に噴孔２０７Ｂからの噴流が衝突すること無く、酸化触媒に噴霧又はガスとして生燃料を供給することが可能となる。

酸化触媒が活性化状態の場合の動作は次の通りとなる。軽油バーナの使用をしなくても、活性状態と判断され、フィルタ再生が必要な場合について説明する。グロープラグ２０６に通電し噴霧ノズル２０７内部を加熱する。空気ポンプを作動させると同時に通路２０８及び空気導入口２１８に空気を供給する。このとき空気ポンプは目標空気量が得られるようになる様に運転する。

しかる後、燃料インジェクタ２１０を運転し、目標噴射量が得られるように燃料の噴射を開始する。

その他の燃料供給装置の運転
エンジンの排気管内に補助装置２００を配置すると、排気が流入することで未燃ＨＣやＰＭが噴霧ノズル２０７に付着し、ノズル噴孔を閉鎖させたりして、機能不能を起こす危険性がある。このような問題が生じるのを防ぐために、運転停止時にしばらくの間、通路２０８からの空気のみ噴霧ノズル２０７から噴射することを継続し、噴霧ノズル２０７内に残留している燃料を全てなくす。

未動作時には、定期的又はＰＭの排出量が多い運転状態では、装置洗浄と排気流入を防止する目的で、噴霧ノズル２０７及び通路２２２から空気を噴出させる。

なお、補助装置２００は、ＮＯｘ吸着触媒の再生用の生燃料供給装置として使用することも可能である。補助装置２００を使用すれば、酸化触媒とＰＭ捕集フィルタを備えた排気後処理装置を効率よく使用することが可能となるばかりか、ＮＯｘ触媒を用いた排気後処理装置の場合にも対応が可能である。

本発明による補助装置の一実施形態を示す断面図。 図１の左側面図。 図１のＡ−Ａ線断面図。 図１に示した噴霧ノズルの変形例を示す拡大断面図。 図１に示した噴霧ノズルの別の変形例を示す拡大断面図。 本発明による補助装置の他の実施形態を示す断面図。 図６の左側面図。 図６のＡ−Ａ線断面図。 図６の補助装置の動作を説明するための図。 図６の補助装置の別の動作を説明するための図。

符号の説明

１ ハウジング本体
２Ａ 開口
２ ハウジングプレート
３ カバーフランジ
３Ａ 取付孔
４ ハウジング
５ 固定部材
６ グロープラグ
６Ａ ねじ溝
６Ｂ ヒータ部
７ 噴霧ノズル
７Ａ 円筒状空間
７Ａａ ねじ溝
７Ｂ 噴孔
８ 第１通路
９ 空気導入口
１０ インジェクタ
１０Ａ 噴射ポート
１１ 第２インジェクタ
１２ 固定プレート
１３ 連結路
１５ キャップ部材
１９ 円筒管
２０ 点火プラグ
２１ 隙間
２２ 第２通路
２３ フレームロッド
１００ 補助装置
２０１ ハウジング本体
２０２ ハウジングプレート
２０３ カバーフランジ
２０４ ハウジング
２０５ 固定部材
２０６ グロープラグ
２０７ 噴霧ノズル
２０８ 通路
２０９ １次空気導入口
２１０ インジェクタ
２１２ 固定プレート
２１３ 連結路
２１５ キャップ部材
２１６ 環状通路
２１６Ａ 環状吐出口
２１７ 通路
２１８ 空気導入口
２１９ 円筒管
２２０ 点火プラグ
２２１ 隙間
２２２ 第３通路
２２３ フレームロッド

Claims (2)

1. 排気中のディーゼル微粒子を除去するためのフィルタを備えた排気後処理装置に火炎ガスを供給するための排気後処理装置用補助装置において、
   出口部を有するハウジングと、
   前記ハウジング内に設けられ先端部に噴孔を有する噴霧ノズルと、
   該噴霧ノズルに空気を送るための第１通路と、
   該第１通路内に燃料を供給するためのインジェクタと、
   前記噴霧ノズル内に設けられた加熱装置と、
   前記噴孔からの噴霧流体を前記出口部へ導くため一端開口が前記噴孔に対向して接近配置され他端開口が前記出口部に接続されるようにして前記ハウジング内に設けられた導通路と、
   前記導通路内に前記噴孔側から前記出口部側に向かう空気流を生じさせるため前記ハウジング内に空気を送るための第２通路と、
   前記導通路内の燃料に点火するための点火器と
   を備えたことを特徴とする排気後処理装置用補助装置。
2. 排気温度を上昇させるための酸化触媒とＰＭ捕集用フィルタとを備えた排気後処理装置に生燃料又は火炎ガスを供給するための排気後処理装置用補助装置であって、
   出口部を有するハウジングと、
   該ハウジング内に設けられ先端部に噴孔を有する噴霧ノズルと、
   該噴霧ノズルに空気を送るための通路と、
   該通路内に燃料を供給するためのインジェクタと、
   前記噴霧ノズル内に設けられた加熱装置と、
   前記噴孔からの噴出流体を前記出口部へ導くため一端開口が前記噴孔に対向して接近配置され他端開口が前記出口部に接続されるようにして前記ハウジング内に設けられた導通路と、
   前記噴霧ノズルの前記先端部の外周を囲む環状吐出口を有し前記噴孔からの前記噴出流体と前記導通路の内壁面との間にスカート状の空気流を生じさせるための第１空気送給手段と、
   前記導通路内に前記噴孔側から前記出口部側に向かう空気流を生じさせるため前記ハウジングと前記導通路との間に形成される空間に空気を送るための第２空気送給手段と、
   前記導通路内の燃料に点火するための点火器と
   を備えたことを特徴とする排気後処理装置用補助装置。

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