JP2006194253A

JP2006194253A - 排気浄化装置を備えた内燃機関

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Publication number: JP2006194253A
Application number: JP2006114803A
Authority: JP
Inventors: Taisuke Ono; 泰右小野; 康之 ▲濱▼地; Yasuyuki Hamachi
Original assignee: Yanmar Co Ltd
Current assignee: Yanmar Co Ltd
Priority date: 2000-12-27
Filing date: 2006-04-18
Publication date: 2006-07-27

Abstract

【課題】全負荷領域及び全運転範囲（低速，中速，高速）において、排気ガス中に含まれる有害成分を浄化することができる排気浄化装置を備えた内燃機関を提供する。
【解決手段】内燃機関１００の排気通路に燃焼器２を設け、前記燃焼器２内の空気過剰率と燃焼温度とを制御する空気過剰率制御手段と燃焼温度制御手段とを設け、前記燃焼器２内の燃焼領域における燃焼により排気ガスに含まれる有害成分を浄化可能とし、燃焼器２より下流側の排気通路にタービン３を設け、前記タービン３に発電機７を設置する。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の排気ガス中に含まれるＮＯｘやＨＣ等の有害成分を除去することができる排気浄化装置を備えた内燃機関に関するものである。

内燃機関から排出される排気ガス中に含まれるＮＯｘ等の有害成分は、排気通路に触媒や排気微粒子を除去するフィルタを設けることにより除去し、清浄な排気ガスを排出するようにするのが一般的である。ところが、この触媒やフィルタなどの後処理装置は高価である上に経時劣化や燃料に含まれるＳ（硫黄）成分により浄化性能が悪化する。また、フィルタはすす等の微粒子による目詰まりを起こし、期待する浄化性能を常に発揮することが困難であり、使用条件が限定される。

また、燃焼により排気ガスを浄化するものとして本願出願人の出願である特開昭５９−５３４号の「排気タービン過給機付内燃機関の排気ガス処理装置」がある。しかし、この特開昭５９−５３４号では、内燃機関の始動性を向上させるために排気通路に燃焼器が設けられており、低負荷時又は低速運転時において排出される排気ガスの浄化は可能であるが、高負荷時及び高速運転時に排出される排気ガスは浄化することができない。未燃ＨＣは浄化（酸化）することができるが、ＮＯｘは浄化（還元）できなかった。

そこで本発明では、全負荷領域及び全運転範囲（低速，中速，高速）において、排気ガス中に含まれる有害成分を浄化することができる排気浄化装置を備えた内燃機関を提供することを課題としている。

本発明に係る排気浄化装置を備えた内燃機関は、内燃機関の排気通路に燃焼器を設け、前記燃焼器内の空気過剰率と燃焼温度とを制御する空気過剰率制御手段と燃焼温度制御手段とを設け、前記燃焼器内の燃焼領域における燃焼により排気ガスに含まれる有害成分が浄化可能であり、燃焼器より下流側の排気通路にタービンを設け、前記タービンに発電機を設置したことを特徴とする。

本発明は、前記タービンにより駆動されかつ内燃機関へ圧縮空気を供給する圧縮機を設け、前記燃焼器内の空気過剰率，燃焼温度，燃焼後の排気ガス温度のうち少なくとも一つを所望する範囲内に変更可能にする量の圧縮空気を前記圧縮機から前記燃焼器へ供給可能にしたものである。

本発明は、前記タービンよりも下流側の排気通路に熱交換器を設け、前記熱交換器により高温の排気ガスから熱伝達されて生成した蒸気を前記燃焼器内の燃焼領域よりも下流側の希釈領域へ供給可能にしたものである。

本発明は、前記燃焼器の燃焼領域へ圧縮空気を供給する空気通路に熱交換器を設け、前記熱交換器にタービンより下流側の排気通路を接続し、前記熱交換器により高温の排気ガスから低温の圧縮空気へ熱伝達させて圧縮空気を昇温させるようにしたものである。

本発明は、前記タービンにより駆動される第１圧縮機と第２圧縮機を設け、第１圧縮機により圧縮された第１圧縮空気を冷却する熱交換器を設け、前記熱交換器で冷却された第１圧縮空気をさらに第２圧縮機により圧縮して第２圧縮空気を生成するようにしたものである。

本発明は、燃焼器の下流側の排気通路に上流側タービンと下流側タービンを設け、上流側タービンにより駆動される圧縮機を設け、下流側タービンにより駆動される発電機を設けたものである。

本発明は、燃焼器の下流側の排気通路に上流側タービンと下流側タービンを設け、前記下流側タービンにより駆動される第３圧縮機と発電機を設け、前記上流側タービンにより駆動される第４圧縮機を設け、前記第３圧縮機で圧縮された第３圧縮空気を冷却する熱交換器を設け、前記熱交換器で冷却された第３圧縮空気をさらに第４圧縮機で圧縮して第４圧縮空気を生成可能にしたものである。

本発明に係る排気浄化装置を備えた内燃機関は、自然吸気式の内燃機関において、前記内燃機関の排気通路に燃焼器を設け、前記燃焼器内の空気過剰率と燃焼温度とを制御する空気過剰率制御手段と燃焼温度制御手段とを設けて前記燃焼器内における燃焼により排気ガスに含まれる有害成分を浄化可能とし、また、前記燃焼器の下流側の排気通路にタービンを設け、前記タービンで駆動される発電機を設けたことを特徴とする。

請求項１の発明では、排気通路２４に燃焼器２を設けて排気ガスを浄化するようにしたので、従来のように触媒やフィルタを使用することなく排気ガスを浄化することができる。したがって、触媒を利用した浄化方法と比較して初期コストが安価であり、また、浄化性能が燃料成分（特に硫黄成分）に影響されることがないので低質油の燃料が使用される内燃機関においても使用することができ、幅広い分野において使用される様々な内燃機関に対して適用することができる。

さらに、燃焼器２の下流側にタービン３を設け、このタービン３で駆動される発電機７を設けたので、熱効率を向上させることができる。

請求項２の発明では、請求項１の発明において、圧縮機４から燃焼器２へ空気過剰率λ，燃焼温度，燃焼後（浄化後）の排気ガス温度のうちの少なくとも一つを所望する範囲内に変更可能にする量の圧縮空気を供給可能にしたので、内燃機関本体１から排出される排気ガスの全量を良好に浄化することができる。

請求項３の発明では、請求項１及び２の効果に加え、浄化後の排気ガスと共に蒸気をタービン３に供給することにより、浄化率を高く維持したままタービン３に供給する気体の流量を増大させて熱効率を向上させることができる。

請求項４の発明では、熱交換器７０（図１１）により燃焼器２へ供給する前に予め圧縮空気を高温の排気ガスの熱を利用して昇温させることができるので、低温の圧縮空気をそのまま供給する場合と比較して排気ガスを昇温させるのに必要な燃料の供給量を少なくすることができる。

請求項５の発明では、圧縮機６２（第１圧縮機）で圧縮した圧縮空気を冷却する熱交換器６４を設け、この熱交換器６４で冷却された第１圧縮空気をさらに圧縮機４（第２圧縮機）で圧縮するようにしたので、請求項２６，２７の発明のように圧縮機４を一つ設けた場合と比較して空気の圧縮動力を減少させることができる。

請求項６の発明では、燃焼器２の下流側にタービン３，６１（図８）を直列に配置し、上流側のタービン３で圧縮機４を駆動するようにしたので、内燃機関本体１の燃焼状態が急変した際の排気ガスの排出量の変動に対するシステム全体の応答性が向上する。

つまり、内燃機関３００（図８）が定格の５０％で運転されているときには、下流側のタービン６１は仕事をせず、上流側のタービン３だけが動作して圧縮機４を駆動し、内燃機関本体１へ十分な量の圧縮空気を供給することができ、内燃機関本体１の運転状態の変動に対して良好な応答性を奏することができる。内燃機関３００の始動時や低負荷時においても同様にタービン３が優先して動作するので、速やかに内燃機関３００を立ち上げることができる。

下流側のタービン６１は、上流側のタービン３が全開となり内燃機関本体１の運転に余裕ができたときに初めて動作し、タービン６１を設けることにより熱効率の向上に寄与することができる。また、急加速時においても、速やかに立ち上げることができるので、燃焼器２に供給される排気ガスに含まれる有害成分の含有量を減少させることができ、燃焼器２の浄化の負担を軽減することができる。

請求項７の発明では、下流側のタービン６１で駆動される圧縮機６２（第３圧縮機）と発電機７とを設け、上流側のタービン３で駆動される圧縮機４（第４圧縮機）を設けることにより、圧縮機４と６２のそれぞれの最適回転数が活用でき、各圧縮機の圧縮効率を高めることができる。

請求項８の発明では、無過給式（自然給気式）の内燃機関７００（図１２）の排気管２４（排気通路）に燃焼器２を設けたので、排気ガスに含まれる有害成分を良好に浄化することができる。さらに浄化された排気ガスを利用してタービン３で発電機７を駆動することにより内燃機関７００の熱効率を向上させることができる。

請求項１〜７の発明の内燃機関では、始動時にまず発電機７のみを駆動させて圧縮機４を駆動させ、燃焼器２へ空気（圧縮空気）を供給するとともにその空気量に見合う量の燃料も供給して燃焼させ、発生した燃焼ガス（排気ガス）をタービン３に供給し、圧縮機の回転応答性を良好にすることができる。

請求項１〜８のいずれの発明においても、内燃機関本体１の通常運転時に加え、始動時や低負荷時においても良好に排気ガス中の有害成分を浄化することができる。したがって、内燃機関本体１がどのような運転を行っても（つまり、全負荷領域，全運転範囲において）、排出される排気ガスに含まれる有害成分を良好に浄化することができる。

図１は、本発明による排気浄化装置を備えた内燃機関の燃料供給経路，空気供給経路，排気ガス排出経路及び信号伝達経路を示す系統略図である。内燃機関本体１には燃料タンク２９から燃料供給管９を介して燃料（例えばガソリン，重油，軽油等の炭化水素系燃料）が供給され、給気管１６を介して空気（圧縮空気）が供給される。

内燃機関本体１の図示しない燃焼室において燃焼が行われ、駆動軸１７を介して発電機６へ動力が伝達（出力）される。また、排気管２４（排気通路）を介して有害成分を含む排気ガスが排出される。

排気管２４は、燃焼器２と接続されており、排気ガスは燃焼器２内に流入するようになっている。また、燃焼器２には燃料供給管９から分岐しかつ途中に調量弁１１を備えた燃料供給管１０を介して燃料が供給可能になっている。さらに燃焼器２には後述する圧縮空気供給管１４から分岐しかつ途中に調量弁１２を備えた圧縮空気供給管１５を介して圧縮空気が供給可能になっている。

また、図１に示すように、燃焼器２の下流側には排気管２５が接続されており、燃焼器２内の排気ガスは、燃焼器２に供給された燃料と圧縮空気により燃焼された後に排気管２５を介して排出可能となっている。

排気管２５の下流側にはタービン３が設けてある。燃焼器２から排気管２５を介して排出された排気ガスはタービン３を回転させ、駆動軸２７を介して圧縮機４を駆動し、また駆動軸１８を介して発電機７を駆動させる。タービン３を回転させた排気ガスは、排気管２６を介して外部（大気中）へ排出される。

駆動軸２７で駆動された圧縮機４は空気取入管１３から空気を吸引して圧縮空気を生成する。生成された圧縮空気は、圧縮空気供給管１４を介してインタークーラ５へ供給される。圧縮空気はインタークーラ５内で冷却水供給管６０を介して供給される冷却水で冷却されて給気管１６を介して内燃機関本体１の燃焼室（図示せず）へ供給可能となっている。

給気管１６の内燃機関本体１との接続部付近には給気圧（ブースト圧）検出センサ１９が設けてある。燃焼器２には温度センサ２８が設けてあり、温度センサ２８は燃焼器２内の温度を検出する。さらに排気管２４には排気ガス流量計２１，酸素センサ２２及び排気温度センサ２３が設けてある。これらの各センサにより検出された検出信号は、それぞれ信号線を介してＥＣＵ８（メモリを備えたコンピュータユニット）へ伝達される。

ＥＣＵ８は、これらの検出信号が入力されると、後述する諸条件を満たすように調量弁１１及び１２の開度を調整して必要な量の燃料と空気とを燃焼器２内に供給し、燃焼器２内の空気過剰率λ及び燃焼温度を調整することができるようになっている。つまりこれらにより空気過剰率制御手段と燃料供給量調整手段とが構成されている。

燃焼器２の内容積は既知であり、燃焼器２内の排気ガス量と酸素濃度は、酸素センサ２２と排気ガス流量計２１（排気ガス排出量検出手段）で検出した検出信号によりＥＣＵ８が演算して算出する。

また、機関出力は機関回転数検出センサ２０，給気圧検出センサ１９及び排気温度センサ２３により検出した検出信号により求めることができ、この機関出力と給気圧検出センサ１９で検出した給気圧から排気管２４内及び燃焼器２内の排気ガスの空気過剰率λをＥＣＵ８で算出する。

燃焼器２内の排気ガス中に含まれる浄化対象とする有害成分がＮＯｘであるかまたは未燃ＨＣ，ＣＯ及びすす等の微粒子であるかにより、この空気過剰率λの値を後述する各実施例に記載の通りに設定する。また、燃焼器２内の温度は温度センサ２８で検出するが、燃焼器２内の温度を所望する温度まで上昇させるために必要な量の燃料と圧縮空気とをＥＣＵ８が算出しかつ算出した量の燃料と空気（圧縮空気）とを燃焼器２へ供給可能に調量弁１１，１２の開度を調整して燃料と空気とを燃焼器２へ供給する。

ここでは圧縮機４で生成された圧縮空気を燃焼器２へ供給するようにしたが、燃焼器２へ供給する空気は、圧縮機４とは別に圧縮機を設けてこの圧縮機により供給するようにしてもよい。

内燃機関本体１の燃焼室（図示せず）で燃焼が行われた場合、排気管２４を通過する排気ガス中にはＮＯｘが多量に含まれている。この場合、燃焼器２内の空気過剰率λが１．０≦λ≦１．２の範囲内に入るようにＥＣＵ８は調量弁１１，１２の開度を調整し、燃料と圧縮空気とを燃焼器２へ供給する。

さらに燃焼器２内の酸素濃度が１０％未満となるように、また、燃焼温度Ｔが８００℃＜Ｔ＜１５００℃となるように、ＥＣＵ８は燃料と空気（圧縮空気）の必要量を算出し、かつ算出した量の燃料と空気とを燃焼器２へ供給可能に調量弁１１，１２の開度を調整して燃料と空気とを燃焼器２へ供給し、燃焼器２内の温度を調整する。

図１４は、燃焼器２内の酸素濃度を１０％未満に設定して空気過剰率を変化させた際のＮＯｘの浄化率を示すグラフである。排気ガスの流量は、標準状態で５Ｌ／ｍｉｎ（リットル／分）である。図１４から、空気過剰率が０．２〜１．０であれば９０％程度の高い浄化率を呈することがわかる。

内燃機関本体１の燃焼室の空気過剰率λがλ＜１で燃焼が行われると、排気管２４を通過する排気ガス中には未燃ＨＣ，ＣＯ及びＰＭ（すす等の微粒子）が多量に含まれている。この場合、燃焼器２内の空気過剰率λを１．０＜λ（好ましくは１．４＜λ）の範囲内に入るようにＥＣＵ８は調量弁１１，１２の開度を調整し、燃料と圧縮空気とを燃焼器２へ供給する。

さらに燃焼器２内の燃焼温度Ｔが１３００℃＜Ｔ＜１５００℃となるように、ＥＣＵ８は燃料と空気の必要量を算出し、かつ算出した量の燃料と空気とを燃焼器２へ供給可能に調量弁１１，１２の開度を調整して燃料と空気とを燃焼器２へ供給し、燃焼器２内の温度を調整する。

図１６は、燃焼器２内の燃焼温度と排気ガス中のＣＯ及びＮＯｘの浄化の傾向の関係を示すグラフである。燃焼温度が低いとＣＯの排出量が多くなり、逆に燃焼温度が高くなるとＮＯｘの排出量が多くなる。図１６によると、燃焼温度Ｔの範囲を１３００℃＜Ｔ＜１５００℃に限定すると、ＣＯ，ＮＯｘのいずれも比較的良好に浄化されることがわかる。

図２は、本発明による図１の燃焼器２の断面略図である。図２の燃焼器２では、内燃機関本体１から排出された排気ガスの全量が燃焼器内筒５１の排気ガス取入口７４から燃焼器２内へ流入可能となっている。単位時間当りの排気ガスの流入量は排気ガス取入口７４に設けた開閉機構５２の可動部５３を矢印Ａで示す方向に摺動させることにより調整することができる。

排気ガス取入口７４から流入した排気ガスは旋回羽根３５を通過して内筒５１内に入る。排気ガス取入口７４から空気（圧縮空気）３８ａも流入することができるように圧縮空気供給管１５から枝分かれした配管１５ａ（枝分かれ部分は図示せず）が内筒５１よりも上流側の外筒５０に接続されている。

燃料供給管１０は保護管７５内に収容されており、高温の排気ガスから保護されている。図２に示すように燃料供給管１０の先端には燃料噴射弁７６が設けてあり、この燃料噴射弁７６から燃焼器２の内筒５１内へ燃料３７が噴射される。内筒５１内には点火プラグ３０が設けてあり、点火プラグ３０により点火された燃料３７と排気ガス７７及び空気３８ａが内筒５１内の燃焼領域３１において燃焼する。

噴射される燃料３７と排気ガス７７を含む空気３８ａの比（空気過剰率）は、燃料噴射弁７６からの燃料３７の噴射量を調整するか、又は開閉機構５２の可動部５３を矢印Ａの方向に摺動させることにより燃焼領域３１へ流入する空気量を調整することにより変更可能となっている。

燃焼領域３１の下流側には希釈領域３２が設けてある。この希釈領域３２の内筒５１には希釈孔３３が設けてある。圧縮空気供給管１５から供給される圧縮空気３８は、燃焼器２の内筒５１と外筒５０の間に形成した環状通路３９内を流れ、希釈孔３３から内筒５１内の希釈領域３２へ希釈ガス４０として流入する。希釈領域３２では、燃焼領域３１で燃焼した後の排気ガスと希釈孔３３から流入した希釈ガス４０とが混合し、燃焼後の高温の排気ガスは希釈ガス４０に希釈されることにより、例えば９００℃程度以下まで冷却される。

図３は、本発明による図１の燃焼器２の他の例を示す断面略図である。図３では、希釈孔３３から内筒５１内へ流入する希釈ガス３４に排気ガス７７が混入する点が図２の燃焼器２と異なっている。図３において図２の符号と同じ符号を付した構成は、図２の構成と基本的に同じである。

圧縮空気供給管１５から供給された圧縮空気３８の一部は排気ガス取入口７４から燃焼領域３１内へ流入し、残りのうちのさらに一部はバイパス通路３６を通って希釈孔３３から内筒５１内の希釈領域３２へ流入する。

また、排気ガス７７も一部は排気ガス取入口７４から燃焼領域３１へ流入し、残りのうちのさらに一部はバイパス通路３６を通って希釈孔３３から内筒５１の希釈領域３２へ流入する。ここで、バイパス通路３６を通る希釈ガス３４（排気ガス又は空気と排気ガスの混合気）が希釈領域３２へ流入するように希釈孔３３より下流側のバイパス通路３６を閉じるようにしてもよい。

図４は、本発明による図１の燃焼器２の他の例を示す断面略図である。図４に示す燃焼器２の構成において図２の構成と異なる点は、図２では内筒５１内に燃焼領域３１と希釈領域３２が設けられていたが、図４では内筒５１内に第１燃焼領域４１，第２燃焼領域４２及び希釈領域４３が設けられている点である。これらの領域は、図４において破線で区画されている。

図４において、第１燃焼領域４１には排気ガス７７の全量と圧縮空気３８ａが供給される。開閉機構５２により排気ガス７７及び圧縮空気３８ａの流入量を調整し、かつ燃料３７の噴射量を図１のＥＣＵ８により調整し、第１燃焼領域４１における空気過剰率λ１を λ１≦１．２の範囲内に調整する。

第２燃焼領域４２には第１燃焼領域４１で燃焼した排気ガスがそのまま流入する。内筒５０の外周には環状の第１通路４５が形成されている。第１通路４５は圧縮空気供給管１５と連通している。さらに第１通路４５の内周側には内筒５０内に連通する第２通路４６が設けてある。この第２通路４６から圧縮空気３８が流入可能となっている。

第２通路４６には二次燃料供給管４４が接続されており、第２通路４６に燃料３７ａが供給可能になっている。この第２通路４６から供給される圧縮空気３８と燃料３７ａ及び第１燃焼領域から流入した排気ガスが混合した混合気の空気過剰率λ２は、１．０＜λ２となるようにＥＣＵ８（図１）が調整する。

このように２つの燃焼領域（第１燃焼領域４１，第２燃焼領域４２）を備えることによりＮＯｘは第１燃焼領域４１で浄化し、ＨＣとＣＯ及びＰＭ（すす等の微粒子）は第２燃焼領域４２で良好に浄化することができる。

第１燃焼領域４１における空気過剰率λ１を λ１＜１．０に設定すると、未燃ＨＣ，ＣＯ及びＰＭが多量に生じるが、ＮＯｘは良好に浄化される。また、第１燃焼領域４１で多量に発生した未燃ＨＣ，ＣＯ及びＰＭは、第２燃焼領域４２で浄化される

図１３は、ディーゼル機関に本発明を適用した際の排気ガス中に含まれるＮＯｘ，ＣＯ及びＰＭ等の有害成分の排出量を示すグラフである。左端の一組の棒グラフでは、内燃機関本体１から排出された排気ガス中のＮＯｘ，ＣＯ及びＰＭのそれぞれの含有量を示しており、中央の一組の棒グラフは第１燃焼領域４１において浄化された排気ガス中に含まれるＮＯｘ，ＣＯ及びＰＭの量を示しており、また、右端の一組の棒グラフは第２燃焼領域４２において浄化された排気ガス中に含まれるＮＯｘ，ＣＯ及びＰＭの量を示している。

左端のグラフで示す各有害成分の排出量を１とし（各有害成分間の排出量は異なるが、内燃機関本体１から出た有害成分をそれぞれ１としている）、中央及び右端のグラフでは左端のグラフに対する割合で各有害成分の排出量が示されている。

中央のグラフでは、内燃機関本体１を出たばかりの排気ガスに含まれていた各有害成分のうち、ＮＯｘは第１燃焼領域４１で浄化され、含有量は１０％（０．１）になっているのがわかる。第１燃焼領域４１において燃料と圧縮空気とが供給されて燃焼が行われるので、その際に発生したＮＯｘが５％（０．０５）程度増加している。また、ＣＯとＰＭに関してはむしろ第１燃焼領域４１で浄化される前よりも増加している。

次に、右端のグラフでは、第２燃焼領域４２において行われた浄化作用により、ＣＯとＰＭの量が左端のグラフと比較して１０％（０．１）程度にまで減少しているのがわかる。また、第２燃焼領域４２においても燃料と圧縮空気とが供給されて燃焼が行われるので、ＮＯｘは５％（０．０５）程度増加している。最終的に各有害成分は、ＮＯｘが当初の２０％程度となり、ＣＯとＰＭは当初の１０％程度となっていることがわかる。

図４において、第１燃焼領域（第３燃焼領域）４１の空気過剰率λ３を１．０＜λ３となるようにＥＣＵ８（図１）が調整する。また、第２燃焼領域（第４燃焼領域）４２の空気過剰率λ４を１．０≦λ４≦１．２の範囲内に調整する。このようにすると、第１燃焼領域４１において主にＨＣ，ＣＯ及びＰＭを浄化することができ、第２燃焼領域４２においてＮＯｘを浄化することができる。

第１燃焼室４１において空気過剰率λ３をリーン（１．０＜λ３）に設定するとＨＣ，ＣＯ及びＰＭは良好に浄化することができるもののＮＯｘの浄化率が低下する。しかし、第２燃焼室４２の空気過剰率λ４を１．０≦λ４≦１．２の範囲に設定することにより、第１燃焼室４１で浄化されなかったＮＯｘを良好に浄化することができる。

図５は、本発明による図１の燃焼器２の他の例を示す断面略図である。図４では、排気ガス７７の全量が第１燃焼領域４１に供給されるように構成されていたが、図５においては、バイパス通路７８を介して一部の排気ガス７７が第１燃焼領域４１を経ずに第２燃焼領域４２に直接流入するようになっている。図５に示すような構成は、排気ガス中の有害成分（例えばＮＯｘ）の含有量が少ない排気ガスに関して適用することができる。

第１燃焼領域４１の空気過剰率λ１を λ１≦１．２（好ましくはλ１＜１．０）として第１燃焼領域４１では主にＮＯｘを浄化し、第２燃焼領域４２の空気過剰率λ２を１．０＜λ２（好ましくは１．４＜λ２）として第２燃焼領域４２では主にＨＣ，ＣＯ等を浄化したり、空気過剰率λの設定を変更（例えば第１燃焼領域４１の空気過剰率λ１は１．０＜λ１，第２燃焼領域４２の空気過剰率λは１．０≦λ２≦１．２に設定）し、逆に第１燃焼領域４１でＨＣ，ＣＯを浄化し、第２燃焼領域４２でＮＯｘを浄化するようにしてもよい。

図６は、本発明による図１の燃焼器２の他の例を示す断面略図である。図６では、第１バイパス通路４７が設けられたことにより希釈ガス３４（一部の排気ガス７７又は一部の排気ガス７７及び圧縮空気３８）が第１燃焼領域４１（上流側燃焼領域）及び第２燃焼領域４２（下流側燃焼領域）を経ずに直接希釈領域４３へ流入することができるようになっている。

また、第２バイパス通路４８が設けられたことにより一部の排気ガス７７，又は一部の排気ガス７７と圧縮空気３８が第１燃焼領域４１を経ずに直接第２燃焼領域４２へ流入することができるようになっている。

第２バイパス通路４８には二次燃料供給管４４が設けてあり、この二次燃料供給管４４により第２燃焼領域４２に燃料３７ａが供給される。

排気ガス取入口７４から第１燃焼室４１内へ流入した排気ガス７７の有害成分は、排気ガス７７，又は排気ガス７７と共に流入した圧縮空気３８と燃料噴射弁７６から噴射される燃料３７が燃焼することにより浄化され、浄化後は下流側の第２燃焼領域４２において第２バイパス通路４８から流入した排気ガス７７，又は排気ガス７７と圧縮空気３８と混合する。

第２燃焼領域４２でこの混合気を浄化し、さらに希釈領域４３では浄化されかつ昇温した排気ガスが希釈ガス３４により希釈され、例えば９００℃程度まで温度が下げられる。

第１燃焼領域４１における空気過剰率λ１を λ１≦１．２（好ましくはλ１＜１．０）に設定し、かつ第２燃焼領域４２における空気過剰率λ２を１．０＜λ２（好ましくは１．４＜λ２）に設定すると、第１燃焼室４１ではＮＯｘが良好に浄化され、また、第２燃焼室４２では第１燃焼室４１で浄化されなかったＨＣ及びＣＯ等を良好に浄化することができる。

逆に第１燃焼領域４１における空気過剰率λ１を１．０＜λ１に設定し、かつ第２燃焼領域４２における空気過剰率λ２を１．０≦λ２≦１．２に設定すると、第１燃焼室４１ではＨＣ，ＣＯ及びＰＭが良好に浄化され、また、第２燃焼室４２では第１燃焼室４１で浄化されなかったＮＯｘを良好に浄化することができる。

本発明において、第１燃焼領域４１へ供給する排気ガス７７の量と第２燃焼領域４２へ直接供給する排気ガス７７の量を調整するため、すでに上述の実施例において述べたように図３〜図６に示すように排気ガス取入口７４に開閉機構５２を設ける。

可動部５３を矢印Ａに示す方向に摺動移動させることにより排気ガス取入口７４の開度が変更され、この開度が小さくなると第１燃焼領域４１へ流入する排気ガス７７の量は少なくなり、第２燃焼領域４２へ直接流入する排気ガス７７の量が多くなる。逆に、開度を大きくすると排気ガス７７の第１燃焼領域４１への流入量が増加し、かつ第２燃焼領域４２への流入量は減少する。

排気ガス７７に含まれる有害成分の量が多くなるほど排気ガス取入口７４から第１燃焼領域４１へ流入させる排気ガス７７の量が多くなるように予め開閉機構５２の開度と排気ガス７７の流入量の関係を調査しておき、ＥＣＵ８のメモリにデータをインプットしておく。

例えば、内燃機関本体１（図１）の燃焼状態を各センサ（機関回転数検出センサ２０，酸素センサ２２等）により検出された検出信号から判定して排気ガス７７に含まれる有害成分の種類と量をＥＣＵ８により算出し、浄化後の排気ガス中の有害成分の含有量が予め設定した所定量以下となるように開閉機構５２の開度を調整する。

図３，図６に示す燃焼器２の構成では、排気ガス７７の一部が排気ガス取入口７４から燃焼領域３１又は第１燃焼領域４１に流入し、残りがバイパス通路３６（図３）又は第１バイパス通路４７（図６）を介して希釈領域３２又は４３に流入するようになっている。

排気ガス７７中の有害成分の含有量が少ないときには、図３又は図６に示すように排気ガス７７の全てを浄化せず、排気ガス７７の一部を希釈ガス３４として希釈領域３２（図３）又は４３（図６）に流入させるようにしてもよい。その際、希釈用として使用する以外の排気ガスは、燃焼領域３１（図３）又は第１燃焼領域４１，第２燃焼領域４２（図６）で燃焼して浄化され、その後、高温（１０００℃以上）の燃焼ガスは、希釈領域３２（図３）又は４３（図６）で希釈用の一部の排気ガスと混合し、例えば９００℃程度まで温度を低下させる。

図６において、第１燃焼領域４１における空気過剰率λ１を λ１≦１．２（好ましくはλ１＜１．０）に設定し、かつ第２燃焼領域４２における空気過剰率λ２を１．０＜λ２（好ましくは１．４＜λ２）に設定すると、第１燃焼室４１ではＮＯｘが良好に浄化され、また、第２燃焼室４２では第１燃焼室４１で浄化されなかったＨＣ及びＣＯ等を良好に浄化することができる。

ここで、希釈領域３２（図３），４３（図６）に流入させる排気ガス７７の量は、予め設定した以上に浄化率を悪化させない程度の量となるように、例えば図１のＥＣＵ８が各センサ（機関回転数検出センサ２０，酸素センサ２２等）により検出された検出信号から内燃機関本体１の燃焼状態（排気ガス成分）を算出し、かつ開閉機構５２の開度を変更することにより調整する。

図２，図４，図５の構成では、圧縮空気３８のみを希釈領域３２へ供給している。この圧縮空気３８は、浄化された排気ガスにより駆動されるタービン３（図１）と駆動軸２７で連結された圧縮機４で生成されたものである。

このようにすると、従来から設けられている過給機に対して配管１５と調量弁１２とを追加するだけで簡単に装置を構成することができる。また、希釈領域３２（４３）へ供給する圧縮空気は、圧縮機４によらず、別に専用の圧縮機（コンプレッサ）を設けて供給するようにしても差し支えない。

ＮＯｘやＨＣ及びＣＯ等を良好に浄化することができるように、圧縮機４又は別に設けた専用の圧縮機（図示せず）の圧縮空気３８の供給量を調整することにより第１燃焼領域４１における空気過剰率λ１及び第２燃焼領域４２における空気過剰率λ２をそれぞれ設定する。

図７は、本発明による排気浄化装置を備えた内燃機関の他の例を示す系統略図である。図７に示すように、タービン３から排出される排気ガスを通す排気管５５に熱交換器５４が設けてある。また、この熱交換器５４には給水管５７を介して水が供給されている。その他の構成は図１に示す構成と同じである。

熱交換器５４内では、高温の排気ガスと低温の水の間で熱交換が行われ、その後排気ガスは排気管５６を介して外部へ排出され、また、水は蒸気となって蒸気供給管５８から燃焼器２内の希釈領域へ供給される。燃焼器２内に供給された蒸気は、浄化された排気ガスの温度を低下させ、また、排気管２５を介してタービン３へ流入しタービン３を駆動させる。

図１５は、空気過剰率を変化させ、蒸気を燃焼器２に供給した場合と供給しない場合の内燃機関２００の熱効率を示すグラフである。図１５に示すように蒸気を供給すると空気過剰率によらず、全体的に熱効率が向上することがわかる。

このように蒸気を燃焼器２内の希釈領域へ供給することにより、浄化済みの排気ガスの温度を低下させると共に気体体積を増加させ、タービン３の駆動力を増加させることができる。

図１１は、本発明による排気浄化装置を備えた内燃機関の他の例を示す系統略図である。図１１に示すように、圧縮空気供給管１５の途中には熱交換器７０が設けてあり、さらにこの熱交換器７０にはタービン３に接続された排気管２６を貫通させてある。

図１１の構成は、この熱交換器７０内で低温の圧縮空気と高温の排気ガスとの間で熱交換が行われるようにした点が図１の構成と異なっている。その他の構成はすべて図１の構成と同じである。圧縮空気を燃焼器２へ供給する前に予め昇温させておくと、燃焼器２内における燃焼温度を上昇させるために費やされる燃料の量を節約することができる。よって、浄化性能を維持しながら、燃焼器２における燃料の消費量を低減することができる。

図９は、本発明による排気浄化装置を備えた内燃機関の他の例を示す系統略図である。図９に示す内燃機関４００では、図１の内燃機関１００について圧縮機４と直列に圧縮機６２（第１圧縮機）が配置されている。この圧縮機６２は駆動軸２７と同軸でかつ圧縮機４（第２圧縮機）と接続されている駆動軸６３によりタービン３から動力が伝達されている。

圧縮機６２は、空気取入管１３を介して空気を取り入れ、さらに取入れた空気を配管６５を介して冷却器６４へ送る。冷却器６４（熱交換器）には、冷却水供給管６７から冷却水が供給されている。空気は冷却器６４内で冷却水により冷却され、冷却された空気は配管６６を介して圧縮機４へ送られる。冷却水は、空気を冷却した後は冷却水排出管６８を介して外部へ排出される。その他の内燃機関４００の構成は、図１の内燃機関１００の構成と同じである。

このように内燃機関４００を構成すると、排気ガスの浄化率を維持しながら図１の内燃機関１００よりも２ポイント程度（例えば４０％から４２％に）熱効率を向上させることができる。

図８は、本発明による排気浄化装置を備えた内燃機関の他の例を示す系統略図である。図８に示す内燃機関３００では、タービン３の下流側にタービン６１を配置し、タービン６１には排気管２６を介して排気ガスが流入する。タービン６１には駆動軸１８で駆動される発電機７が接続されている。発電機７はタービン６１によって駆動され、排気ガスはタービン６１から排気管５９を介して外部へ排出される。その他の構成は図１の内燃機関１００と同じである。

このように内燃機関３００を構成すると、内燃機関３００が低負荷であるか又は低速運転時においてタービン３をタービン６１よりも優先して駆動させることができ、浄化率を維持しながらタービン３に発電機７を接続した図１の内燃機関１００よりも迅速に立ち上げることができる。タービン６１は、タービン３が全開になって初めて動作する。例えば、定格の５０％で内燃機関３００が駆動されていたら、タービン６１は停止したままでタービン３により圧縮機４のみを駆動させることができる。

図１０は、本発明による排気浄化装置を備えた内燃機関５００の他の例を示す系統略図である。図１０の内燃機関５００では、図８の内燃機関３００においてさらにいくつかの構成が追加されている。まず、タービン６１に駆動軸１８と同軸に駆動軸６９が接続されている。この駆動軸６９を介してタービン６１に駆動される圧縮機６２が設けてある。

圧縮機６２は、空気取入管１３から空気を取り込んで配管６５を介して冷却器６４へ圧縮空気を送る。冷却器６４には冷却水供給管６７を介して冷却水が供給されており、冷却水は冷却器６４内で圧縮空気を冷却した後、冷却水排出管６８から外部へ排出される。冷却器６４内で冷却された圧縮空気は、配管６６を介して圧縮機４へ供給される。その後の動作は図１の内燃機関１００の動作と同じである。

ここで、圧縮機４と圧縮機６２は、それぞれ最適回転数で駆動させることができる組み合わせを選定して設置する。そのように２つの圧縮機４，６２を選定することにより、最適な圧縮効率を奏することができる。

内燃機関の運転を安定させることができ、燃焼器２内での浄化作用に必要なＥＣＵ８の算出結果の信頼性を向上させることができ、浄化率の低下を未然に防止することができる。

図１２は、本発明による排気浄化装置を備えた内燃機関７００の他の例を示す系統略図である。内燃機関７００には過給機（圧縮機）が設けられておらず、内燃機関７００は自然給気方式である。図１２の内燃機関７００のような無過給機関においても過給機関と同様に燃焼器２により排気ガスを浄化することができる。

さらに燃焼器２の下流にタービン３を配置すると、駆動軸１８で接続した発電機７を運転させることができ、浄化率を維持しながら熱効率の向上を図ることができる。

図１７は、本発明を実施した内燃機関の排気通路２４に設けた燃焼器８０の断面略図である。図１の内燃機関１００において、燃焼器２の代わりに燃焼器８０を設置したものが本実施例の排気浄化装置を備えた内燃機関に相当する。燃焼器８０の上流側（排気ガス７７の流れる方向の上流側）の端部には燃料供給管１０により燃料３７が供給され、内筒５１内に燃料（燃料噴霧８５）を噴射する燃料噴射弁７６が設けてある。図１７に示すように燃焼器８０内には、上流側から順に保炎領域４９，燃焼領域３１及び希釈領域３２が形成されている。

燃焼器８０の上流側端部には、旋回羽根３５が設けられた圧縮空気供給管１５ａの一端が接続されている。圧縮空気供給管１５ａは、図示しない配管で圧縮空気供給管１５と接続されており、圧縮空気供給管１５ａ内には圧縮空気３８ａが供給されている。

燃料供給管１０は保護管７５で高温（後述する燃焼領域３１内で燃焼した燃焼ガスよりは低温）の排気ガス７７から保護されている。保護管７５は図示しない配管で圧縮空気供給管１５と接続されており、保護管７５内（つまり燃料供給管１０と保護管７５の間の空間）には圧縮空気（以後、アシスト空気７１と呼ぶ。）が供給されている。この保護管７５の燃焼器側端部は、図１７に示すように圧縮空気供給管１５ａの端部を貫通し、かつ旋回羽根３５に外嵌されている。

燃料噴射弁７６及び保護管７５，圧縮空気供給管１５ａは、それぞれ燃料または空気を燃焼器８０の保炎領域８１内に噴射または吐出可能に燃焼器８０（内筒５１）に対して設けられている。また、保炎領域８１には点火プラグ３０が設けてある。

燃料供給管１０から供給された燃料３７は、燃料噴射弁７６から噴霧状（以下、燃料噴霧８５と呼ぶ。）に噴射される。保護管７５内を流れるアシスト空気７１は、保炎領域８１内の燃料噴霧８５近傍に吐出される。

さらに保炎領域８１内には、圧縮空気供給管１５ａ内の圧縮空気が旋回羽根３５を通過することにより旋回流８４となって流入し、旋回流８４は、燃料噴霧８５とアシスト空気７１とを攪拌し、保炎領域８１内においてほぼ一様な混合気を生成する。保炎領域８１内で生成された混合気は、排気ガスを含んでいない分だけ酸素濃度が高いため着火し易く、点火プラグ３０により着火され、火炎（火種）が生成される。この火炎は、連続して吐出される旋回流８４により下流側の燃焼領域３１へと移動する。

図１７に示すように燃焼領域３１には、旋回羽根４９を備えた排気ガス流入口８２が設けてある。排気通路２４内を流れる排気ガス７７は、排気ガス流入口８２から旋回羽根４９を通過して旋回しながら燃焼領域３１内に流入する。燃焼領域３１内に流入した排気ガス７７は、保炎領域８１から供給された火炎によって燃焼し、有害成分（例えばＣＯ，ＨＣ又はＮＯｘ）は浄化される。

燃焼領域３１内の空気過剰率λは、燃料噴霧８５の噴射量と圧縮空気３８ａ，アシスト空気７１の供給量を調整することにより任意に設定することができ、空気過剰率λを例えばリッチ（λ＜１．０の範囲）に設定すると、排気ガス７７中の有害成分のうち特にＮＯｘを良好に浄化することができる。また、燃焼領域３１内の空気過剰率λをリーン（１．０＜λの範囲のうち、特に１．４＜λの範囲）に設定すると、排気ガス７７中の有害成分のうち特にＣＯとＨＣとを良好に浄化することができる。

燃焼領域３１の下流側に設けた希釈領域３２には、圧縮空気供給管１５を介して圧縮空気３８が供給され、圧縮空気３８は燃焼領域３１において燃焼及び浄化された高温の燃焼ガスと混合して燃焼ガスの温度を低下させ、温度が低下した燃焼ガスは、図示しないタービンへ供給される。

図１８は、図１７に示す燃焼器８０において、燃焼領域３１の代わりに第１燃焼領域４１と第２燃焼領域４２とを設けた燃焼器９０の断面略図である。燃焼器９０には、第２燃焼領域４２に排気ガス７７を流入させる旋回羽根８６を備えた排気ガス流入口８７と、第２燃焼領域４２に燃料３７ａを供給する二次燃料供給管４４が設けてある。その他の燃焼器９０の構成は、図１７の燃焼器８０の構成と同じである。希釈領域４３には圧縮空気供給管１５から圧縮空気３８が供給されるようになっている。

燃焼器９０では、第１燃焼領域４１内の空気過剰率λをリーン（１．０＜λの範囲で好ましくは１．４＜λの範囲）に設定し、第２燃焼領域４２内の空気過剰率λをリッチ（λ＜１．０の範囲）に設定することにより、排気ガス７７中のＮＯｘ及びＣＯ，ＨＣ等を良好に浄化することができる。

図１９は、図１７，１８燃焼器８０，９０とは別の燃焼器９１の断面略図である。燃焼器９１では、排気ガス７７は、一部が旋回羽根４９を通過して燃焼領域３１内に流入して浄化され、残りの排気ガスは排気ガス流入口８７から希釈領域３２内に流入し、燃焼領域３１で燃焼して昇温した燃焼ガスの温度を低下させる。

内燃機関から排出された排気ガス７７に含まれる有害成分の含有量が比較的少なく、排気ガス７７の全量ではなく一部を浄化すると有害成分の排出量が環境基準を満足する量まで低減させることができる場合には図１９の燃焼器９１を採用することができる。

図２０は、図１７〜図１９の燃焼器８０，９０及び９１とはさらに別の燃焼器９２の断面略図である。燃焼器９２は、図１９の燃焼器９１において燃焼領域３１の代わりに第１燃焼領域４１と第２燃焼領域４２とが設けられており、第２燃焼領域４２には二次燃料供給管４４により燃料が供給可能となっている。また、第２燃焼領域４２には第１燃焼領域４１で燃焼し、浄化された燃焼ガスと浄化前の排気ガス７７の一部とが流入可能となっている。

燃焼器９２は、排気ガス流入口８２から流入した排気ガス７７が第１燃焼領域４１で浄化されてＮＯｘが低減されてそのまま第２燃焼領域４２へ移動し、次にＣＯ及びＨＣ成分が低減される。また、第２燃焼領域４２には排気ガス７７が排気ガス流入口８７に設けた旋回羽根８６を通過して流入し、ＣＯ，ＨＣ成分が浄化される。

第２燃焼領域４２で浄化された燃焼ガスは、希釈領域４３へ移動し、排気ガス流入口８８から流入した排気ガス７７と混合して温度が低下し、温度が低下した燃焼ガスは図示しないタービンへと供給される。この燃焼ガスに含まれる有害成分の量は、環境基準の許容範囲内となるように各流入口（排気ガス流入口８２，８７及び８８）から流入する排気ガス７７の流入量（各流入口における排気ガス７７の通路幅）は設定されている。

本明細書では、特許請求の範囲に記載された発明のほか、以下の発明を開示する。

図１において、内燃機関の排気通路に燃焼器２を設け、前記燃焼器２内の空気過剰率と燃焼温度とを制御する空気過剰率制御手段と燃焼温度制御手段とを設け、前記燃焼器２内における燃焼により排気ガスに含まれる有害成分を浄化する。これにより、従来のように触媒やフィルタを使用することなく排気ガスを浄化することができる。したがって、触媒を利用した浄化方法と比較して初期コストが安価であり、また、浄化性能が燃料成分（特に硫黄成分）に影響されることがないので低質油の燃料が使用される内燃機関においても使用することができ、幅広い分野において使用される様々な内燃機関に対して適用することができる。また、内燃機関本体１の通常運転時に加え、始動時や低負荷時においても良好に排気ガス中の有害成分を浄化することができる。したがって、内燃機関本体１がどのような運転を行っても（つまり、全負荷領域，全運転範囲において）、排出される排気ガスに含まれる有害成分を良好に浄化することができる。

前記燃焼器２内の空気過剰率λを前記空気過剰率制御手段によって１．０≦λ≦１．２に設定することにより、排気ガス中のＮＯ_Ｘを良好に浄化することができる。

前記燃焼器２に炭化水素系の燃料を供給することにより、前記燃焼器２に供給する燃料を内燃機関本体１へ供給する燃料と共通にすることができ、燃料タンク２９と燃料供給管９を途中まで共用することができ、省スペース化を図ることができる。

前記燃焼温度制御手段により燃焼器２内の酸素濃度を１０％未満に設定し、かつ空気過剰率制御手段により空気過剰率λを１．０＜λ＜１．２の範囲内に設定することにより、排気ガス中のＮＯ_Ｘを良好に浄化することができる。

加えて、前記燃焼温度制御手段により燃焼器２内の燃焼温度Ｔを、８００℃＜Ｔ＜１５００℃ の範囲内に設定することにより、未燃ＨＣ，ＣＯ及びすす等の微粒子の排出量を低く抑えながらＮＯ_Ｘを良好に浄化することが出来る。

前記燃焼器２内の空気過剰率λを前記空気過剰率制御手段により１．０＜λ に設定することにより、排気ガス中のＨＣ，ＣＯ及びすす等の微粒子を良好に浄化することができる。

前記空気過剰率制御手段により燃焼器２内の空気過剰率λを１．４＜λ に設定することにより、ＨＣ，ＣＯ及びすす等の微粒子を浄化しながらＮＯ_Ｘの排出量を低く抑えることができる。

さらに、空気過剰率λを１．４＜λ に設定する上に、燃焼温度制御手段により燃焼器２内の燃焼温度Ｔを１３００℃＜Ｔ＜１５００℃ の範囲に設定することにより、ＮＯ_Ｘの排出量を低く抑えながら、１．４＜λ に設定するだけの場合よりも、さらに良好にＨＣ，ＣＯ及びすす等の微粒子を浄化することができる。

空気過剰率制御手段として燃料供給量調整手段（図１のＥＣＵ８，調量弁１１，酸素センサ２２等で構成され、内燃機関本体１における燃焼状況を各センサにより把握し、現在の燃焼器２内の空気過剰率λを所望する範囲内に変更することができる量の燃料をＥＣＵ８が算出し、かつ調量弁１１の開度を調整して燃焼器２への燃料の供給量を制御する機構）を備え、前記燃料供給量調整手段により燃焼器２への燃料の供給量を制御して燃焼器２内の空気過剰率を制御可能にすることにより、燃焼器２内の空気過剰率λを適切に制御することができ、燃焼器２内の排気ガスを良好に浄化することができる。

前記空気過剰率制御手段として上記と同様の燃料供給量調整手段に加え、空気供給量調整手段（図１のＥＣＵ８，調量弁１２，圧縮機４，酸素センサ２２等で構成され、内燃機関本体１における燃焼状況を各センサにより把握し、現在の燃焼器２内の空気過剰率λを所望する範囲内に変更することができる量の空気をＥＣＵ８が算出し、かつ調量弁１２の開度を調整して燃焼器２への空気の供給量を制御する機構）を備えることにより、上記よりも燃焼器２内の空気過剰率λを所望する範囲に設定し易く、良好に排気ガスを浄化することができる。

さらに、前記空気供給量調整手段として圧縮機からの圧縮空気の供給手段を備え、この圧縮機は、図１のように圧縮機４により兼用させるようにしてもよいが、別に専用の圧縮機を設けると、圧縮機４から供給される圧縮空気は、全て内燃機関本体１へ供給することができるので、内燃機関本体１への過給効率の低下を回避することができる。

図２において、内燃機関本体１から排出された排気ガスの全量を燃焼器２の燃焼領域３１へ供給することにより、排気ガスの浄化率を高く維持することができる。

図３において、内燃機関本体１から排出された排気ガスのうちの一部を燃焼器２の燃焼領域３１よりも下流側の希釈領域３２へ直接供給可能にし、排気ガスの燃焼領域３１への供給量と希釈領域３２への直接の供給量とを調整する調整手段（図１のＥＣＵ８，図３の開閉機構５２等で構成された機構）を設けることにより、内燃機関から排出された排気ガスの有害成分の含有量が少ない場合には、燃焼領域３１で浄化する排気ガスの量を減少させることができ、それに応じて燃焼器２への燃料の供給量も少なくすることができる。

図１において、内燃機関の機関回転数を検出する機関回転数検出センサ２０（機関回転数検出手段），排気温度センサ２３（排気温度検出手段），給気圧検出センサ１９（給気圧検出手段）及びこれらの検出手段により得られた検出信号から前記内燃機関の燃焼室で発生した排気ガスの空気過剰率を算出する空気過剰率算出手段と機関出力を算出する機関出力算出手段を設け、内燃機関の燃焼室から排出される排気ガス量を検出する排気ガス流量計２１（排気ガス排出量検出手段）を設け、前記空気過剰率算出手段により算出された空気過剰率と排気ガス流量計２１により得られた排気ガス排出量により燃焼器２内の空気過剰率λを検出可能でかつ検出した空気過剰率λを所望する範囲内に変更可能な空気過剰率制御手段を設けた。これによって、燃焼器２内の空気過剰率λを検出し、かつ検出した空気過剰率λを所望する範囲内に設定することができるので、例えば排気ガスに含まれる有害成分が主にＮＯ_Ｘであれば空気過剰率λをリッチ側へ設定し、逆にＨＣ，ＣＯ及びＰＭ（すす等の微粒子）が多く含まれていれば空気過剰率λをリーン側へ設定することが容易に行えるので、良好な浄化率が得られる。

図４において、燃焼器２内に上流側燃焼領域４１と下流側燃焼領域４２とを設け、上流側燃焼領域４１における空気過剰率λを λ≦１．２に設定し、下流側燃焼領域４２における空気過剰率λを１．０＜λ に設定することにより、上流側燃焼領域４１では主にＮＯ_Ｘを浄化することができ、下流側燃焼領域４２では主にＨＣ，ＣＯ及びすす等の微粒子を浄化することができ、内燃機関本体１から排出された排気ガスがいかなる有害成分を含んでいても、良好に浄化することができる。

図４において、燃焼器２内に上流側燃焼領域４１と下流側燃焼領域４２とを設け、上流側燃焼領域４１における空気過剰率λを１．０＜λ に設定し、下流側燃焼領域４２における空気過剰率λを１．０≦λ≦１．２に設定することにより、上流側燃焼領域４１では主にＨＣ，ＣＯ及びすす等の微粒子を浄化することができ、下流側燃焼領域４２では主にＮＯ_Ｘを浄化することができ、内燃機関本体１から排出された排気ガスがいかなる有害成分を含んでいても、良好に浄化することができる。

図４において、燃焼器２内の上流側に空気過剰率λを λ＜１．０の範囲に設定して排気ガス中のＮＯ_Ｘを浄化する上流側燃焼領域４１を設け、前記上流側燃焼領域４１よりも下流側に空気過剰率λを１．４＜λ の範囲に設定して排気ガス中のＨＣ，ＣＯ及びすす等の微粒子を浄化する下流側燃焼領域４２を設け、前記上流側燃焼領域４１及び下流側燃焼領域４２で排気ガスに含まれるＮＯ_Ｘ，ＨＣ，ＣＯ及びすす等の微粒子を浄化することにより、上記よりもＮＯ_Ｘの浄化率を向上させ、その際に多量に発生した未燃ＨＣ等は下流側燃焼領域４２で浄化し、上記よりもさらに全体として排気ガスの浄化性能を向上させることができる。

図４において、燃焼器内の上流側燃焼領域４１に供給した排気ガスの全量を下流側燃焼領域４２に供給するようにしたので、ＮＯ_Ｘ，ＨＣ，ＣＯ及びすす等の微粒子のいずれも良好に浄化することができる。

図５において、内燃機関で発生した排気ガスを燃料器２の上流側燃焼領域４１と下流側燃焼領域４２へ供給するバイパス通路７８（分岐通路）を設け、かつ上流側燃焼領域４１に供給された排気ガスを下流側燃焼領域４２へ供給可能とすることにより、内燃機関本体１で発生した排気ガスを上流側燃焼領域４１と下流側燃焼領域４２へ直接供給し、また、上流側燃焼領域４１で浄化した排気ガスを下流側燃焼領域４２へ供給することにより、圧縮機４から供給する空気量を少なくすることができ、また、必要な燃料の供給量を節約することができる。

図６において、浄化後の排気ガスの温度を低下させるための希釈領域４３を下流側燃焼領域４２よりもさらに下流側に設け、内燃機関で発生した排気ガスを前記燃焼器２の上流側燃焼領域４１と下流側燃焼領域４２及び前記希釈領域４３へ供給するバイパス通路（分岐通路）４７，４８を設け、かつ上流側燃焼領域４１で浄化された排気ガスを下流側燃焼領域４２へ供給可能にし、内燃機関本体１から排出される排気ガスの一部を下流側燃焼領域４２よりも下流側に設けた希釈領域４３に直接供給することにより、圧縮機４から供給する空気量を少なくすることができ、また、必要な燃料の供給量を少なくすることができる。

図５、図６において、上流側燃焼領域４１及び下流側燃焼領域４２にそれぞれ直接供給する排気ガスの供給量を調整する調整手段（図１のＥＣＵ８，図５の開閉機構５２等で構成される機構）を設けることにより、内燃機関本体１から排出される排気ガスに含まれる有害成分の量を勘案して浄化率の低下を回避しながら燃焼器２へ供給する燃料の供給量を設定することができる。

図３，図６において、内燃機関本体１から排出される排気ガスの一部を、燃焼器２内の燃焼領域３１，４１，４２より下流側の希釈領域３２，４３に直接供給することにより、燃料領域３１，上流側燃焼領域４１及び下流側燃焼領域４２で昇温された浄化済みの排気ガスの温度を低下させることができる。

図２，図４，図５において、圧縮機４により生成される圧縮空気を燃焼器２内の燃焼領域３１又は４１，４２より下流側の希釈領域４３に供給可能にし、前記燃焼領域３１又は４１，４２で浄化された排気ガスの温度を低下させることにより、良好な浄化率を維持しながら浄化済みの排気ガスの温度を低下させて排出させることができる。

図７において、内燃機関の排気ガスにより蒸気を生成する熱交換器５４を設け、前記熱交換器５４で生成した蒸気を燃焼器２内の希釈領域に供給可能にした。希釈領域へ圧縮空気を供給する圧縮機を過給用の圧縮機４で兼用させることにより装置の簡略化を図ることができる。また、過給用の圧縮機４を駆動させるタービン３から排出される高温の排気ガスにより熱交換器５４内で蒸気を発生させ、この蒸気を燃焼器２の希釈領域へ供給することにより、蒸気は排気ガスと共にタービン３へ供給され、排気ガスの浄化率を高く維持したまま熱効率を向上させることができる。タービン３を通過させる気体の流量が増加し、全体の仕事率を向上させることができる。

図１７〜図２０において、内燃機関の排気通路に燃焼器８０を設け、前記燃焼器８０内に排気ガスが遮断された保炎領域８１を設け、保炎領域８１内に燃料を供給する燃料供給手段を設け、前記燃焼器８０内に空気を供給する空気供給手段を設け、前記燃焼器８０内の保炎領域８１より下流側に排気ガスを流入させる燃焼領域３１（第１燃焼領域４１）を設け、前記燃料と空気とで保炎領域８１内で火炎を生成し、前記火炎を下流側の燃焼領域３１へ供給し、燃焼器内における燃焼により排気ガスに含まれる有害成分を浄化することにより、燃焼領域３１において、負荷領域及び運転範囲（低速，中速，高速）を問わず確実に排気ガス７７を燃焼させ、浄化させることができる。

本発明による排気浄化装置を備えた内燃機関の燃料供給経路，空気供給経路，排気ガス排出経路及び信号伝達経路を示す系統略図である。本発明による図１の燃焼器の断面略図である。本発明による図１の燃焼器の他の例を示す断面略図である。本発明による図１の燃焼器の他の例を示す断面略図である。本発明による図１の燃焼器の他の例を示す断面略図である。本発明による図１の燃焼器の他の例を示す断面略図である。本発明による排気浄化装置を備えた内燃機関の他の例を示す系統略図である。本発明による排気浄化装置を備えた内燃機関の他の例を示す系統略図である。本発明による排気浄化装置を備えた内燃機関の他の例を示す系統略図である。本発明による排気浄化装置を備えた内燃機関の他の例を示す系統略図である。本発明による排気浄化装置を備えた内燃機関の他の例を示す系統略図である。本発明による排気浄化装置を備えた内燃機関の他の例を示す系統略図である。ディーゼル機関に本発明を適用した際の排気ガス中に含まれるＮＯ_Ｘ，ＣＯ及びＰＭ等の有害成分の排出量を示すグラフである。燃焼器内の酸素濃度を１０％未満に設定して空気過剰率を変化させた際のＮＯ_Ｘの浄化率を示すグラフである。空気過剰率を変化させ、蒸気を燃焼器に供給した場合と供給しない場合の内燃機関の熱効率を示すグラフである。燃焼器内の燃焼温度と排気ガス中のＣＯ及びＮＯ_Ｘの浄化の傾向の関係を示すグラフである。本発明を実施した内燃機関の燃焼器の断面略図である。本発明を実施した内燃機関の図１７とは別の燃焼器の断面略図である。本発明を実施した内燃機関の図１７，１８とは別の燃焼器の断面略図である。本発明を実施した内燃機関の図１７〜１９とは別の燃焼器の断面略図である。

符号の説明

１内燃機関本体
２燃焼器
３タービン
４圧縮機（第２，第４圧縮機）
５インタークーラ
６，７発電機
８ＥＣＵ
９，１０燃料供給管
１１，１２調量弁
１９給気圧検出センサ
２０機関回転数検出センサ
２１排気ガス流量計（排気ガス排出量検出手段）
２２酸素センサ
２３排気温度センサ
２４〜２６排気通路
２７駆動軸
２８温度センサ
２９燃料タンク
３１燃焼領域
３２希釈領域
３６バイパス通路
４１第１燃焼領域（上流側燃焼領域）
４２第２燃焼領域（下流側燃焼領域）
４３希釈領域
４９旋回羽根
５０燃焼器外筒
５１燃焼器内筒
５２開閉機構
５３可動部
５４熱交換器
５５，５６排気管
６１タービン
６２圧縮機（第１，第３圧縮機）
６３駆動軸
６４冷却器
７０熱交換器
７１アシスト空気
７４排気ガス取入口
７６燃料噴射弁
８０燃焼器
８１保炎領域
８２，８３，８７，８８排気ガス流入口
９０〜９２燃焼器
１００内燃機関

Claims

内燃機関の排気通路に燃焼器を設け、前記燃焼器内の空気過剰率と燃焼温度とを制御する空気過剰率制御手段と燃焼温度制御手段とを設け、前記燃焼器内の燃焼領域における燃焼により排気ガスに含まれる有害成分が浄化可能であり、燃焼器より下流側の排気通路にタービンを設け、前記タービンに発電機を設置したことを特徴とする、排気浄化装置を備えた内燃機関。
前記タービンにより駆動されかつ内燃機関へ圧縮空気を供給する圧縮機を設け、前記燃焼器内の空気過剰率，燃焼温度，燃焼後の排気ガス温度のうち少なくとも一つを所望する範囲内に変更可能にする量の圧縮空気を前記圧縮機から前記燃焼器へ供給可能にした請求項１に記載の排気浄化装置を備えた内燃機関。
前記タービンよりも下流側の排気通路に熱交換器を設け、前記熱交換器により高温の排気ガスから熱伝達されて生成した蒸気を前記燃焼器内の燃焼領域よりも下流側の希釈領域へ供給可能にした請求項１又は２に記載の排気浄化装置を備えた内燃機関。
前記燃焼器の燃焼領域へ圧縮空気を供給する空気通路に熱交換器を設け、前記熱交換器にタービンより下流側の排気通路を接続し、前記熱交換器により高温の排気ガスから低温の圧縮空気へ熱伝達させて圧縮空気を昇温させる請求項１又は２に記載の排気浄化装置を備えた内燃機関。
前記タービンにより駆動される第１圧縮機と第２圧縮機を設け、第１圧縮機により圧縮された第１圧縮空気を冷却する熱交換器を設け、前記熱交換器で冷却された第１圧縮空気をさらに第２圧縮機により圧縮して第２圧縮空気を生成する請求項１又は２に記載の排気浄化装置を備えた内燃機関。
燃焼器の下流側の排気通路に上流側タービンと下流側タービンを設け、上流側タービンにより駆動される圧縮機を設け、下流側タービンにより駆動される発電機を設けた請求項１又は２に記載の排気浄化装置を備えた内燃機関。
燃焼器の下流側の排気通路に上流側タービンと下流側タービンを設け、前記下流側タービンにより駆動される第３圧縮機と発電機を設け、前記上流側タービンにより駆動される第４圧縮機を設け、前記第３圧縮機で圧縮された第３圧縮空気を冷却する熱交換器を設け、前記熱交換器で冷却された第３圧縮空気をさらに第４圧縮機で圧縮して第４圧縮空気を生成可能にした請求項１又は２に記載の排気浄化装置を備えた内燃機関。
自然吸気式の内燃機関において、前記内燃機関の排気通路に燃焼器を設け、前記燃焼器内の空気過剰率と燃焼温度とを制御する空気過剰率制御手段と燃焼温度制御手段とを設けて前記燃焼器内における燃焼により排気ガスに含まれる有害成分を浄化可能とし、また、前記燃焼器の下流側の排気通路にタービンを設け、前記タービンで駆動される発電機を設けたことを特徴とする排気浄化装置を備えた内燃機関。