JP2010106679A - パティキュレートフィルタ再生バーナの燃料噴射ノズル閉塞防止方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料噴射ノズル内に残留した燃料の炭化を予防して、該燃料噴射ノズルの閉塞を確実に防止し得、パティキュレートフィルタの再生を安定して行い得るパティキュレートフィルタ再生バーナの燃料噴射ノズル閉塞防止方法及び装置を提供する。
【解決手段】燃料噴射ノズル４を冷却する冷却手段５０と、燃料噴射ノズル４からの燃料噴射終了時に該燃料噴射ノズル４のエアパージを行うエアパージ手段６０とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、ディーゼルエンジン、特に、農業用等のように過酷な条件で使用されるディーゼルエンジンにおいて、高度な制御装置を備えることなしに簡単な制御で安価に排気浄化を行えるようにした排気浄化装置に適用可能なパティキュレートフィルタ再生バーナの燃料噴射ノズル閉塞防止方法及び装置に関するものである。

一般に、内燃機関としてのディーゼルエンジンは、ガソリンエンジンのようにプラグによる火花点火を行わず、高圧縮によって高温となった空気に、直接、燃料としての軽油を噴射して自然着火させるものである。

前記ディーゼルエンジンから排出される排ガス中にはパティキュレート（Particulate Matter：粒子状物質）が含まれており、該パティキュレートは、炭素質からなる煤（Soot：スート）と、高沸点炭化水素成分からなるＳＯＦ分（Soluble Organic Fraction：可溶性有機成分）とを主成分とし、更に微量のサルフェート（ミスト状硫酸成分）を含んだ組成をなすものであるが、この種のパティキュレートの低減対策としては、ディーゼルエンジンからの排ガスが流通する排気管の途中に、ＤＰＦ（Diesel Particulate Filter）と称されるパティキュレートフィルタを装備することが従来より行われている。

前記パティキュレートフィルタは、コージェライト等のセラミックからなる多孔質のハニカム構造を有し、格子状に区画された各流路の入口が交互に目封じされ、入口が目封じされていない流路については、その出口が目封じされるようになっており、各流路を区画する多孔質薄壁を透過した排ガスのみが下流側へ排出されるようになっている。

ところで、排ガス中のパティキュレートは、前記多孔質薄壁の内側表面に捕集されて堆積するので、目詰まりにより排気抵抗が増加しないうちにパティキュレートを適宜燃焼除去してパティキュレートフィルタの再生を図る必要があるが、ディーゼルエンジンの運転状態によっては、パティキュレートが自己燃焼するほどの高い排気温度が得られない場合があり、このために、排気温度の低い運転領域では、パティキュレートの再生処理量よりも捕集量が上まわってしまい、よってこのような排気温度が低い運転状態が続いた場合には、パティキュレートフィルタの再生が良好に進まずに該パティキュレートフィルタが過捕集状態に陥る虞がある。

そこで、パティキュレートフィルタに対するパティキュレートの堆積量が増加してきた段階で、ディーゼルエンジンにおいて通常の燃料噴射の他にポスト噴射を行うことによって排ガスの温度を高め、パティキュレートフィルタの温度を再生温度（例えば約６３０℃以上）に高めることによりパティキュレートを燃焼させる強制再生を行うことが考えられている。

しかし、この方法の場合は非常に複雑な制御が必要であり、よって制御装置が高価になるという問題がある。

このため、従来においては、排ガス温度をある温度以上に高めるべく、パティキュレートフィルタの上流側に、燃料噴射ノズルと着火手段としての放電端子とを有するパティキュレートフィルタ再生バーナを配置し、該パティキュレートフィルタ再生バーナの燃料噴射ノズルから燃料を噴射して放電端子で着火燃焼させ、火炎を生じさせることにより、パティキュレートフィルタへ導入される排ガスを強制加熱し、パティキュレートフィルタの温度を再生温度まで高め、該パティキュレートフィルタに捕集されたパティキュレートを燃焼させ、パティキュレートフィルタを再生することが考えられている。

尚、前述の如きパティキュレートフィルタ再生バーナに関連する一般的技術水準を示すものとしては、例えば、特許文献１がある。
特開平８−２６０９４４号公報

しかしながら、前述の如き従来のパティキュレートフィルタ再生バーナにおいては、燃料噴射ノズルが自身から生じる火炎並びに高温の排ガスに晒されるため、燃料噴射ノズル内に残留した燃料が炭化し、該燃料噴射ノズルが閉塞する虞があった。

本発明は、斯かる実情に鑑み、燃料噴射ノズル内に残留した燃料の炭化を予防して、該燃料噴射ノズルの閉塞を確実に防止し得、パティキュレートフィルタの再生を安定して行い得るパティキュレートフィルタ再生バーナの燃料噴射ノズル閉塞防止方法及び装置を提供しようとするものである。

本発明は、内燃機関から排出される排ガス中のパティキュレートを捕集するパティキュレートフィルタの上流側に燃料噴射ノズルから燃料を噴射して着火燃焼させることにより、パティキュレートフィルタの昇温を行うパティキュレートフィルタ再生バーナの燃料噴射ノズル閉塞防止方法であって、
前記燃料噴射ノズルを冷却することを特徴とするパティキュレートフィルタ再生バーナの燃料噴射ノズル閉塞防止方法にかかるものである。

前述の如く、燃料噴射ノズルを冷却すると、該燃料噴射ノズルが自身から生じる火炎並びに高温の排ガスに晒されたとしても、燃料噴射ノズル内に残留した燃料が炭化せず、該燃料噴射ノズルが閉塞する心配がなくなる。

前記パティキュレートフィルタ再生バーナの燃料噴射ノズル閉塞防止方法においては、前記燃料噴射ノズルからの燃料噴射終了時に該燃料噴射ノズルのエアパージを行うことが好ましく、このようにすると、燃料噴射ノズル内に残留した燃料は強制的に排出されるため、燃料噴射ノズルの閉塞をより確実に防止可能となる。

一方、本発明は、内燃機関から排出される排ガス中のパティキュレートを捕集するパティキュレートフィルタの上流側に燃料を噴射する燃料噴射ノズルと、
該燃料噴射ノズルから噴射される燃料を着火燃焼させる着火手段と、
前記燃料噴射ノズルを冷却する冷却手段と
を備えたことを特徴とするパティキュレートフィルタ再生バーナの燃料噴射ノズル閉塞防止装置にかかるものである。

前述の如く構成すると、冷却手段によって燃料噴射ノズルが冷却されるため、該燃料噴射ノズルが自身から生じる火炎並びに高温の排ガスに晒されたとしても、燃料噴射ノズル内に残留した燃料が炭化せず、該燃料噴射ノズルが閉塞する心配がなくなる。

前記パティキュレートフィルタ再生バーナの燃料噴射ノズル閉塞防止装置においては、前記冷却手段を、燃料噴射ノズルに巻き付けられ且つ内部に冷却媒体が流通される冷却配管によって構成することができる。

又、前記パティキュレートフィルタ再生バーナの燃料噴射ノズル閉塞防止装置においては、前記燃料噴射ノズルからの燃料噴射終了時に該燃料噴射ノズルのエアパージを行うエアパージ手段を備えることが好ましく、このようにすると、燃料噴射ノズル内に残留した燃料はエアパージ手段によって強制的に排出されるため、燃料噴射ノズルの閉塞をより確実に防止可能となる。

更に又、前記パティキュレートフィルタ再生バーナの燃料噴射ノズル閉塞防止装置においては、前記エアパージ手段を、空気を圧送するエアパージポンプと、該エアパージポンプから圧送される空気を燃料噴射ノズルへ導入するエアパージラインとによって構成することができる。

本発明のパティキュレートフィルタ再生バーナの燃料噴射ノズル閉塞防止方法及び装置によれば、燃料噴射ノズル内に残留した燃料の炭化を予防して、該燃料噴射ノズルの閉塞を確実に防止し得、パティキュレートフィルタの再生を安定して行い得るという優れた効果を奏し得る。

以下、本発明の実施の形態を添付図面を参照して説明する。

図１は本発明を実施する形態の一例であって、図１中、１はディーゼルエンジン（内燃機関）であり、２は内部にパティキュレートフィルタ３が収納されたフィルタケースを示している。

前記パティキュレートフィルタ３は、コージェライト等のセラミックから成る多孔質のハニカム構造を成しており、格子状に区画された各流路の入口が交互に目封じされ、入口が目封じされていない流路については、その出口が目封じされるようになっており、ディーゼルエンジン１から排出される排ガスＧ中のパティキュレートが多孔質薄壁の内側表面に捕集され、各流路を区画する多孔質薄壁を透過した排ガスＧのみが下流側へ排出されるようにしてある。

前記パティキュレートフィルタ３の上流（図１の上側）におけるフィルタケース２の中心位置には、下流側のパティキュレートフィルタ３に向けて燃料を噴射する燃料噴射ノズル４を設け、更に該燃料噴射ノズル４の先端部近傍には放電によって燃料を着火燃焼させる放電端子５（着火手段）を設けてある。

又、軽油からなる燃料が収容された燃料タンク６の燃料は、低圧の燃料供給ポンプ７によって前記ディーゼルエンジン１のエンジンポンプに供給されるようになっており、更に、燃料供給ポンプ７からの燃料の一部は、高圧の噴射用ポンプ８及び燃料弁９を介して前記燃料噴射ノズル４に供給されるようになっている。

前記フィルタケース２の上流端（上端）内部には、燃料噴射ノズル４の先端を包囲する燃焼用開口１０が形成された燃焼ガス導入室１１を有する前部チャンバ１２を設けてあり、該前部チャンバ１２の下流側（下側）には、筒形の希釈室１３を形成し且つ下流側内周面に排ガスＧを噴出するための希釈用開口１４が穿設された希釈チャンバ１５を設けてある。

又、前記前部チャンバ１２の燃焼用開口１０には、燃料噴射ノズル４の周りから排ガスＧに旋回（スワール）を与えて噴射するようにしたスワーラ１６を設けてある。

更に、前記パティキュレートフィルタ３の上流側（上方）には、排ガス温度を均一化するためのポーラス材等からなる均熱部材１７を設けてある。

そして、前記燃料噴射ノズル４と、放電端子５と、燃焼ガス導入室１１に設けたスワーラ１６とによってバーナ装置１８が構成されており、更に、該バーナ装置１８と、希釈チャンバ１５と、前記均熱部材１７とによってパティキュレートフィルタ再生バーナ１９が構成されている。

一方、前記ディーゼルエンジン１からの排ガスＧを導出する排気管２０には、排ガスＧを前記燃焼ガス導入室１１に供給することによりバーナ装置１８における燃料噴射ノズル４の周りのスワーラ１６から希釈チャンバ１５の内側を通してパティキュレートフィルタ３へ導くようにした燃焼用ガス流路２１と、排ガスＧを燃料噴射ノズル４を迂回し、希釈チャンバ１５の希釈室１３及び希釈用開口１４を通してパティキュレートフィルタ３へ導くようにしたバイパス流路２２とに二股状に分岐した分岐部を形成している。更に、燃焼用ガス流路２１とバイパス流路２２の分岐部には、通常時には燃焼用ガス流路２１を閉じて排ガスＧをバイパス流路２２に流し、パティキュレートフィルタ３の再生時には排ガスＧの一部を燃焼用ガス流路２１へ導くように作動するダンパ２３を備えている。尚、ダンパ２３に代えて流路切換弁を用いるようにしても良く、更に、燃焼用ガス流路２１に導く排ガスＧの流量を調節できるようになっていても良い。

又、前記ダンパ２３を設けることなく、燃焼用ガス流路２１とバイパス流路２２とに所定の割合で排ガスＧが流動されるように予めそれぞれの断面積等を設定しておくようにしても良い。

更に、前記燃焼用ガス流路２１には、空気２４を供給することによって、燃焼ガス導入室１１に供給される排ガスＧ中の酸素濃度を高めるようにした空気供給装置２５を接続してある。図１中、２５´は逆止弁である。前記空気供給装置２５は、前記排ガスＧの圧力よりも高い圧力の空気２４を供給でき、且つディーゼルエンジン１の燃焼によって酸素濃度が低下した排ガスＧの酸素濃度を、前記燃料噴射ノズル４から噴射される燃料を安定燃焼させ得る濃度まで高められる量の空気２４を供給できるものを用いる。

そして、本図示例においては、前記燃料噴射ノズル４を冷却する冷却手段５０と、前記燃料噴射ノズル４からの燃料噴射終了時に該燃料噴射ノズル４のエアパージを行うエアパージ手段６０とを備えることにより、前記燃料噴射ノズル４の閉塞を防止するようにしてある。

前記冷却手段５０は、燃料噴射ノズル４に巻き付けられ且つ内部に冷却媒体が流通される冷却配管５１によって構成してある。

又、前記エアパージ手段６０は、空気を圧送するエアパージポンプ６１と、該エアパージポンプ６１から圧送される空気を燃料噴射ノズル４へ導入するエアパージライン６２とによって構成してある。尚、前記エアパージライン６２には逆止弁６３を設けてある。

更に、図１中、３３は制御装置（ＥＣＵ）であり、この制御装置３３には、ディーゼルエンジン１において検出される回転数信号３４とスロットル開度信号３５とが入力されており、更に、前記パティキュレートフィルタ３の前後の圧力差を検出する差圧計３６からの差圧信号３７が入力されており、この差圧信号３７によって制御装置３３はパティキュレートフィルタ３におけるパティキュレートの堆積状況を計測するようにしてある。

そして、前記制御装置３３は、通常時には燃焼用ガス流路２１を閉じるようにダンパ２３を作動させる信号２３ａを出力し、これによって、全ての排ガスＧをバイパス流路２２により希釈チャンバ１５の希釈室１３へ供給し、希釈用開口１４を通してパティキュレートフィルタ３へ導くことによりパティキュレートの補集を行うようにしてある。

又、前記制御装置３３は、前記差圧計３６からの差圧信号３７によって、パティキュレートフィルタ３にパティキュレートが堆積し、目詰まりで排気抵抗が増加していることが計測された際には、排ガスＧの一部を前記燃焼用ガス流路２１に供給するようにダンパ２３を作動させる信号２３ａを出力すると共に、前記空気供給装置２５を作動させる信号２５ａを出力して空気２４を前記燃焼用ガス流路２１に供給するようにし、更に高圧の噴射用ポンプ８を作動させる信号８ａを出力しつつ燃料弁９を開く信号９ａを出力して燃料噴射ノズル４に燃料を供給し、且つ、放電端子５（着火手段）により点火を行うための信号５ａを出力するようにしてある。これにより、バーナ装置１８による火炎Ｆが形成され、この火炎Ｆは、前記バイパス流路２２により希釈室１３に供給されて希釈用開口１４から噴出される排ガスＧを加熱し、該加熱された排ガスＧは、均熱部材１７により温度が均一化されて前記パティキュレートフィルタ３に供給され、該パティキュレートフィルタ３に堆積したパティキュレートが燃焼除去されてパティキュレートフィルタ３の再生が行われるようになっている。

更に、前記制御装置３３は、前記燃料噴射ノズル４からの燃料噴射終了時に前記エアパージ手段６０のエアパージポンプ６１を作動させる信号６１ａを出力して燃料噴射ノズル４のエアパージを行うようにしてある。

次に、上記図示例の作用を説明する。

通常時には、制御装置３３から燃焼用ガス流路２１を閉じるようにダンパ２３を作動させる信号２３ａが出力され、これによって、全ての排ガスＧがバイパス流路２２により希釈チャンバ１５の希釈室１３へ供給され、希釈用開口１４を通してパティキュレートフィルタ３へ導かれることによりパティキュレートの補集が行われる。

前記パティキュレートフィルタ３にパティキュレートが堆積すると、差圧計３６からの差圧信号３７によって、目詰まりで排気抵抗が増加していることが計測され、前記制御装置３３から排ガスＧの一部を前記燃焼用ガス流路２１に供給するようにダンパ２３を作動させる信号２３ａが出力されると共に、前記空気供給装置２５を作動させる信号２５ａが出力されて空気２４が前記燃焼用ガス流路２１に供給され、更に高圧の噴射用ポンプ８を作動させる信号８ａが出力されつつ燃料弁９を開く信号９ａが出力されて燃料噴射ノズル４に燃料が供給され、且つ、放電端子５（着火手段）により点火を行うための信号５ａが出力される。これにより、バーナ装置１８による火炎Ｆが形成され、前記バイパス流路２２により希釈室１３に供給されて希釈用開口１４から噴出される排ガスＧが前記火炎Ｆによって加熱され、該加熱された排ガスＧが、均熱部材１７により温度が均一化されて前記パティキュレートフィルタ３に供給されるので、該パティキュレートフィルタ３に堆積したパティキュレートが燃焼除去されてパティキュレートフィルタ３の再生が行われる。

更に、前記燃料噴射ノズル４は、該燃料噴射ノズル４に巻き付けられ且つ内部に冷却媒体が流通される冷却配管５１からなる冷却手段５０によって冷却されると共に、前記燃料噴射ノズル４からの燃料噴射終了時には、前記制御装置３３から前記エアパージ手段６０のエアパージポンプ６１を作動させる信号６１ａが出力されて燃料噴射ノズル４のエアパージが行われる。

上記したように、バイパス流路２２と分岐した燃焼用ガス流路２１に、空気供給装置２５により空気２４を供給するようにしたので、ディーゼルエンジン１の運転状態によって排ガスＧ中の酸素濃度が低い状態が生じても、空気２４が供給された燃焼用ガス流路２１からの排ガスＧによって燃料噴射ノズル４から噴射される燃料を安定して確実に燃焼させることができ、従って、パティキュレートフィルタ３の再生を常に安定して行うことができる。

この時、前記バーナ装置１８には、燃焼用ガス流路２１からの排ガスＧに旋回を与えて噴射するスワーラ１６を有しているので、バーナ装置１８から噴射される燃料は更に安定して均一に燃焼されるようになる。

又、前記空気供給装置２５では、燃焼用ガス流路２１からバーナ装置１８に導かれる排ガスＧがバーナ装置１８から噴射される燃料を燃焼させるのに必要な酸素量に対して不足している分だけを供給すれば良いため、空気供給装置２５は少流量の空気を供給する小型のものとすることができる。

更に又、前記空気供給装置２５によって空気２４が供給された排ガスＧと燃料噴射ノズル４から噴射される燃料とが混合することにより緩慢燃焼が行われ、その後、バイパス流路２２から希釈室１３に供給された排ガスＧが混合されて緩慢燃焼が行われることにより、局部的な高温部が生じる問題を防止できる。更に、パティキュレートフィルタ３の前部には、排ガス温度を均一化するための均熱部材１７を配設しているので、パティキュレートフィルタ３に導かれる排ガスＧの温度が更に均一化されるようになる。このように、パティキュレートフィルタ再生バーナ１９により排ガスＧの温度が均一化されてパティキュレートフィルタ３に導かれるようになるので、パティキュレートフィルタ３が局部的に溶損する心配もない。

しかも、本図示例の場合、前述の如く、燃料噴射ノズル４に巻き付けられ且つ内部に冷却媒体が流通される冷却配管５１からなる冷却手段５０によって燃料噴射ノズル４が冷却されるため、該燃料噴射ノズル４が自身から生じる火炎並びに高温の排ガスＧに晒されたとしても、燃料噴射ノズル４内に残留した燃料が炭化せず、該燃料噴射ノズル４が閉塞する心配がなくなる。

尚、ディーゼルエンジン１自体の冷却系統（図示せず）を利用して前記冷却手段５０の冷却配管５１に冷却媒体を流通させれば良いことから、専用の冷却ポンプ等を特別に設ける必要もない。

又、本図示例の場合、前記燃料噴射ノズル４からの燃料噴射終了時には、エアパージ手段６０のエアパージポンプ６１からエアパージライン６２を介して圧送される空気が燃料噴射ノズル４へ導入され、該燃料噴射ノズル４のエアパージが行われ、燃料噴射ノズル４内に残留した燃料は前記エアパージ手段６０によって強制的に排出されるため、燃料噴射ノズル４の閉塞をより確実に防止可能となる。

こうして、燃料噴射ノズル４内に残留した燃料の炭化を予防して、該燃料噴射ノズル４の閉塞を確実に防止し得、パティキュレートフィルタ３の再生を安定して行い得る。

尚、本発明のパティキュレートフィルタ再生バーナの燃料噴射ノズル閉塞防止方法及び装置は、上述の図示例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

本発明を実施する形態の一例を示す全体概要構成図である。

符号の説明

１ ディーゼルエンジン（内燃機関）
３ パティキュレートフィルタ
４ 燃料噴射ノズル
５ 放電端子（着火手段）
１８ バーナ装置
１９ パティキュレートフィルタ再生バーナ
２０ 排気管
２１ 燃焼用ガス流路
２２ バイパス流路
５０ 冷却手段
５１ 冷却配管
６０ エアパージ手段
６１ エアパージポンプ
６２ エアパージライン
Ｇ 排ガス

Claims (6)

1. 内燃機関から排出される排ガス中のパティキュレートを捕集するパティキュレートフィルタの上流側に燃料噴射ノズルから燃料を噴射して着火燃焼させることにより、パティキュレートフィルタの昇温を行うパティキュレートフィルタ再生バーナの燃料噴射ノズル閉塞防止方法であって、
   前記燃料噴射ノズルを冷却することを特徴とするパティキュレートフィルタ再生バーナの燃料噴射ノズル閉塞防止方法。
2. 前記燃料噴射ノズルからの燃料噴射終了時に該燃料噴射ノズルのエアパージを行う請求項１記載のパティキュレートフィルタ再生バーナの燃料噴射ノズル閉塞防止方法。
3. 内燃機関から排出される排ガス中のパティキュレートを捕集するパティキュレートフィルタの上流側に燃料を噴射する燃料噴射ノズルと、
   該燃料噴射ノズルから噴射される燃料を着火燃焼させる着火手段と、
   前記燃料噴射ノズルを冷却する冷却手段と
   を備えたことを特徴とするパティキュレートフィルタ再生バーナの燃料噴射ノズル閉塞防止装置。
4. 前記冷却手段を、燃料噴射ノズルに巻き付けられ且つ内部に冷却媒体が流通される冷却配管によって構成した請求項３記載のパティキュレートフィルタ再生バーナの燃料噴射ノズル閉塞防止装置。
5. 前記燃料噴射ノズルからの燃料噴射終了時に該燃料噴射ノズルのエアパージを行うエアパージ手段を備えた請求項３又は４記載のパティキュレートフィルタ再生バーナの燃料噴射ノズル閉塞防止装置。
6. 前記エアパージ手段を、空気を圧送するエアパージポンプと、該エアパージポンプから圧送される空気を燃料噴射ノズルへ導入するエアパージラインとによって構成した請求項５記載のパティキュレートフィルタ再生バーナの燃料噴射ノズル閉塞防止装置。

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