JP2014507591A - 同軸入口／出口排気処理デバイス - Google Patents

Abstract

排気ガス処理システム用の燃焼器は、エンジンからの排気を処理し、第１の燃焼域および第２の燃焼域を画定する内側筺体を備える。内側筺体は、第２の燃焼域の上流に、排気流の第１の部分を受け入れるための複数の開口を備える。外側筺体は、内側筺体を包囲して内側筺体との間にバイパス流経路を画定して、第１の燃焼域および第２の燃焼域の外側で内側筺体の周りに排気流の第２の部分を迂回させる。外側筺体は、中心長手軸線に沿って、排気出口と同軸で一直線とされた排気入口を備える。混合域が第２の燃焼室の下流に設けられ、排気流の第１の部分および第２の部分を受け入れる。
【選択図】図２

Description

本開示は、排ガス処理デバイスに関し、より詳細には、ディーゼル圧縮エンジンからの窒素酸化物および粒子状物質の排出を削減するシステム内の燃焼器に関する。

行政体は、ディーゼル燃焼過程、特にディーゼル圧縮エンジンから排出される窒素酸化物（ＮＯ_X）および粒子状物質（ＰＭ）の削減を要求し続けている。ディーゼル微粒子フィルタ（ＤＰＦ）は、典型的には煤となっているＰＭの必要な削減を図ることはできるが、ＤＰＦによってもたらされるＰＭの削減としばしば関連して、ＮＯ_Xの必要な削減をもたらすことができる、改良されたシステムが引き続き要望されている。

ＤＰＦで集められた煤と反応してＤＰＦの所望の再生を行う排気中のＮＯ₂の度合いを増やすために、ＤＰＦの上流側に、ディーゼル酸化触媒（ＤＯＣ）を提供するシステムが提案されてきた。この方法は、受動的再生と称されることもある。しかしながら、このようなシステムは、３００℃を下回る温度では効果が限定されることがあり、また、典型的には、システムの他の部分の設計において考慮されなければならない、酸化触媒を通じた圧力低下を生じることがある。追加もしくは代替で、水素または炭化水素燃料などの燃料を、ＤＯＣの上流へと送って、華氏６００度を超える温度を発生させ、ＤＰＦを積極的に再生することができる。

システムの中には、ディーゼル燃焼過程の下流の排気中に残る未燃焼の燃料を点火して燃焼する燃焼器を備えたシステムがある。このような提案の例が、Ａｄａｍ Ｊ． Ｋｏｔｒｂａらによって２００９年４月２７日に出願された「Ｄｉｅｓｅｌ Ａｆｔｅｒｔｒｅａｔｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ」という名称の共通の譲受人による同時係属中の米国特許出願第１２／４３０，１９４に示されており、この出願の開示の全体が、本明細書において参照により組み入れられる。

このようなシステムの現在の燃焼器は、意図した目的に適合可能となっているかもしれないが、改良されるのが望ましい。例えば、排気ガス出口と同軸で一直線とされた排気ガス入口を有するバーナーを提供して背圧を低下させたり、構成部品の収容や取り付けにおける懸念を軽減したりすることは有利であるかもしれない。

本節は、本開示の全体的な概要を提供し、本開示の全範囲を包括的に開示しているとは限らず、また、本開示の特徴のすべてとは限らない。

排気ガス処理システム用の燃焼器は、エンジンからの排気流を処理し、第１の燃焼域および第２の燃焼域を画定する内側筺体を含む。内側筺体は、第２の燃焼域の上流に、排気流の第１の部分を受け入れるための複数の開口を含む。外側筺体は、内側筺体を包囲して内側筺体と外側筐体との間にバイパス流経路を画定して、第１の燃焼域および第２の燃焼域の外側で内側筺体の周りに排気流の第２の部分を迂回させる。外側筺体は、中心長手軸線に沿って、排気出口と同軸で一直線とされた排気入口を含む。混合域が第２の燃焼室の下流に設けられ、排気流の第１の部分と第２の部分とを受け入れる。

排気ガス処理システム用の燃焼器は、エンジンからの排気流を処理し、上流の閉塞された端部、および中心軸線を有する管状の内側筺体を含む。内側筺体は、排気流の第１の部分を、排気中で運ばれる未燃焼の燃料が点火される燃焼域を通るように向かわせる燃焼流経路を画定する。管状の外側筺体は、中心長手軸線と同軸で一直線とされた排気入口を含む。外側筺体は、内側筺体を包囲し、閉塞された端部と、内側筐体と外側筐体との間とを横切るバイパス流経路を画定して、燃焼域の周りに排気流の第２の部分を迂回させる。噴射管は、内側筺体と外側筺体との一方に固定され、内側筺体の空洞と連通する。

適用可能なさらなる範囲は、ここに提供される説明から明らかとなるであろう。この概要の説明および具体的な例は、例示だけを目的として意図されており、本開示の範囲を限定することは意図されていない。

ここで説明される図面は、選択された実施形態だけを例示の目的としているのであって、すべての可能な実装形態を例示の目的としているとは限らず、本開示の範囲を限定することは意図されていない。

図１は、本開示の教示に従って構成された燃焼器を含む排気ガス処理システムを描く概略図である。 図２は、図１に示した燃焼器の断面図である。 図３は、燃焼器の斜視図である。 図４は、燃焼器の端面図である。 図５は、燃焼器の反対側の端面図である。

対応する参照符号は、図面中のいくつかの図を通じて対応する部品を指し示す。

ここで、例示的な実施形態を、添付の図面を参照しつつ、さらに十分に説明する。

図１は、ディーゼル圧縮エンジン１６からの排気を処理する、例示的なディーゼル排気ガス後処理システム１０を示す。排気は、先ず何よりも一酸化窒素（ＮＯ）および二酸化窒素（ＮＯ₂）などの窒素酸化物（ＮＯ_X）と、粒子状物質（ＰＭ）と、炭化水素と、一酸化炭素（ＣＯ）と、他の燃焼副産物とを含み得る。

後処理システム１０は、排気中で運ばれる未燃焼の燃料を選択的に点火および燃焼することで、排気の温度を選択的に上昇させる燃焼器１８を含む。温度の高くなった排気をシステム１０の他の部分に提供する能力は、多くの利点をもたらし、そのうちの一部が以下でより詳細に説明される。

また、後処理システム１０は、燃焼器１８の下流に接続されてそこから排気を受け入れるディーゼル微粒子フィルタ（ＤＰＦ）２０、および、ＤＰＦ２０の下流に接続されてそこから排気を受け入れる、選択的接触還元触媒（ＳＣＲ）またはリーンＮＯ_XトラップなどのＮＯ_X削減デバイス２２などの、１つまたは複数の他の排気処理デバイスを含んでもよい。

燃焼器１８はＤＰＦ２０に対して能動的再生処理を採用することで、ディーゼル圧縮エンジン１６などの希薄燃焼エンジンの排気の温度を上昇させるように作動可能であり、その作動において、燃料は、燃焼器１８で点火されて、ＤＰＦ２０内のＰＭの酸化を可能とするであろう高められた温度に排気を加熱する火炎を作り出す。また、このような能動的再生と関連して、または、それとは関係なく、燃焼器１８は、ＮＯ_X削減デバイス２２、特にＳＣＲの変換効率を高めるであろう高められた温度へと排気を加熱するために、同様の方法で用いられてもよい。有利には、燃焼器１８は、排気がエンジン１６を出るときに低い温度（３００℃未満）の排気を生成する運転条件を含む、特定のエンジン運転条件とは無関係に、選択的または連続的のいずれかで、より高い排気温度を提供してもよい。したがって、後処理システム１０は、エンジン制御への調整を要求することなく運転することができる。

燃焼器１８は、適切な燃料および酸素発生剤を噴射する噴射器２４を含む。燃料は、水素または炭化水素を含んでもよい。噴射器２４は、図２に示すように、燃料と酸素発生剤との両方を噴射する混合噴射器として構成されてもよいし、燃料用と酸素発生剤用とが別々の噴射器を含んでもよい。好ましくは、図１に符号２８で概略的に示される制御システムが、噴射器２４を通る流れと、任意適切なプロセッサ（複数可）、センサ、流量制御弁、電気コイルなどを用いる点火装置２６による点火とを監視および制御するために、設けられている。

図２〜図４に示されるように、燃焼器１８は、加工された板金部品の複数個の組立体として構成された筺体３０を含む。筺体３０は、円筒形状の外側筺体３２、円筒形状の内側筺体３４、および、中心軸線３８と一列とされた混合器３６とを含む。噴射管４０が、外側筺体３２の開口４２、および、内側筺体３４の開口４４を通って延びている。噴射器取付部４３が、噴射管４０に固定されて、噴射器２４用の取付機構を提供する。霧状の燃料が、噴射軸線４６に沿って噴射される。噴射軸線４６が、中心軸線３８と狭角“Ａ”で交わる。角度“Ａ”は、おおよそ５２度として示されている。点火プラグ２６ａが、取付部４８を介して外側筺体３２に固定されている。開口５０が外側筺体３２を通って延び、別の開口５２が内側筐体３４を通って延び、点火プラグ２６ａを受けている。取付部４８は、外側筺体３２の内側と外側とに配置された部分を含んでもよい。点火プラグ２６ａは、中心軸線３８と狭角“Ｂ”で交わる、点火装置軸線５４に沿って延びている。角度“Ｂ”は、おおよそ５２度である。点火プラグ２６ａは、内側筺体３４によって画定された第１の燃焼室５６と連通する端部を含む。点火プラグ２６ｂが、点火装置取付部５５を介して、外側筺体３２に固定され、開口５７、５９を通って延びて、内側筺体３４によって画定された第２の燃焼室６１と連通する。

内側筺体３４は、互いに固定された内側ライナ６０と、移行筒６２と、端部蓋６４とを含む複数個の板金部品組立品として描写されている。端部蓋６４は、開口４４および５２を除いて、実質的に途切れのない外側面６６を含む。環状容積６８が、外側筺体３２と内側筺体３４との間の空間に存在する。移行筒６２は、溶接などの適切な処理によって、端部蓋６４と内側ライナ６０とに固定されている。移行６２は、実質的に連続した途切れのない部材である。容積６８は、内側ライナ６０を通って延びる複数の開口７２を介して、第２の燃焼室６１と流体連通するように設けられている。内側ライナ６０は、開放端部７４も含んでいる。

外側筺体３２は、図面に描写されるように、互いに固定された円筒体８０と、円筒入口錐体８２と、スリーブ８４と、入口フランジ８６とを含む複数個の板金部品加工品である。入口錐体８２は、実質的に円形の筒部９２と、円錐部９４とを含む。これらの両方は、中心軸線３８と同軸で一直線とされた長手軸線を有する。入口フランジ８６およびスリーブ８４も、中心軸線３８と一直線とされた長手軸線を有する実質的に円形の筒状断面を含む。入口フランジ８６は、エンジン１６からの排気を受け入れる入口９６を含む。円筒体８０は、これもまた中心軸線３８と一直線とされている実質的に円形の断面を有する開放端部９０を含む。入口９６の、開放端部７４と開放端部９０との同軸の配置によって、燃焼器１８を通じた排気の圧力低下が最小となる。また、内側ライナ６０と、移行筒６２と、端部蓋６４とが、中心軸線３８と共通して一直線とされている長手軸線を有することも理解されるべきである。取付フランジ９７が外側筺体３２に固定されていることで、燃焼器１８を、ＤＰＦ２０などの下流の排気処理デバイスに直に固定することができる。

外側筺体３２および内側筺体３４の構成部品の形状および位置は、互いに分割および再結合するエンジン排気経路を画定する。より具体的には、内燃エンジンからの排気ガスが、入口９６にもたらされる。排気は、図２で見た場合に、左から右へと流れる。排気が入口フランジ８６とスリーブ８４とを通って流れ続けると、排気は、表面６６などの、内側筺体３４の外側面と、外側筺体３２の内側面９１との間に画定された環状容積６８を通って通過する。排気が端部蓋６４および移行筒６２を通過すると、エンジン排気の一部は、燃焼流経路９８に沿って進む。燃焼流経路９８に沿って進む排気は、開口７２を通って流れる。燃焼器の運転中、燃料および酸素発生剤が、噴射器２４によって第１の燃焼室５６に供給される。点火プラグ２６ａは、点火装置として機能し、第１の燃焼室５６内で火炎を発生させる。燃焼流経路９８に沿って進む排気は、その火炎によって加熱され、排気中で運ばれる未燃焼の燃料が、火炎によって、および／または、第２の燃焼室６１内の点火プラグ２６ｂによって、点火される。

開口７２を通過しなかった排気ガスの残りの部分は、バイパス流経路１００に沿って進むと特徴付けられてもよい。排気は、開口７２の下流で、内側筺体３４と外側筺体３２との間の容積６８を通って流れる。バイパス流経路１００を通って流れる排気は、燃焼流経路９８を出る燃焼流との混合のため、混合域１０２へと供給される。

混合器３６は、端部板１０４と混合板１０６とを含む。端部板１０４は、バイパス流経路１００を横切って延びてバイパス流経路１００の可能な流れ断面積を制限する。複数の細長い開口１０８が、混合板１０６を通って延びて出口１１０を画定する。出口１１０は、中心軸線３８と同軸で配置されている。端部板１０４は、外側筺体３２の内表面９１に固定されて、混合器３６を燃焼器１８に固定する。混合器３６は、単一の型打ちされた板金の一片から構成することができる。あるいは、端部板１０４は、混合板１０６とは別個に構成され、混合板１０６にその後に固定されてもよい。

実施形態の前述の説明は、例示および説明を目的として提供されてきた。本開示を排他的または限定することは意図されていない。具体的な実施形態の個々の構成要素または特徴は、概して具体的な実施形態に限定されておらず、具体的に示され、または説明されていなくても、実施可能であれば、置き換え可能であり、かつ、選択された実施形態に用いることができる。同様に、多くの方法で変更されてもよい。このような変更は、本開示からの逸脱として解釈されず、このような改良のすべては、本開示の範囲内に含まれるように意図されている。

Claims (15)

1. エンジンからの排気流を処理する排気ガス処理システム用燃焼器であって、
   第１の燃焼域と第２の燃焼域とを画定する内側筺体であって、前記第２の燃焼域の上流に、前記排気流の第１の部分を受け入れる複数の開口を含む内側筺体と、
   前記内側筺体を包囲して前記内側筺体との間にバイパス流経路を画定して、前記第１の燃焼域と前記第２の燃焼域との外側で前記内側筺体の周りに前記排気流の第２の部分を迂回させる外側筺体であって、中心長手軸線に沿って、排気出口と同軸で一直線とされた排気入口を含む外側筺体と、
   前記第２の燃焼室の下流にあって、前記排気流の前記第１の部分と前記第２の部分とを受け入れる混合域と
   を備える燃焼器。
2. 前記外側筺体は、前記内側筺体の一部を包囲する円錐形状部を含み、前記燃焼器は、前記外側筺体の前記円錐形状部に取り付けられ、燃料を前記第１の燃焼室内に噴射するように作動可能な噴射器をさらに含む、請求項１に記載の燃焼器。
3. 前記外側筺体の前記円錐形状部に取り付けられ、周方向において前記噴射器から離間され、前記第１の燃焼室内の前記燃料に点火するように作動可能な点火装置をさらに含む、請求項２に記載の燃焼器。
4. 前記円錐形状部は、前記排気入口および前記排気出口と一直線とされた軸線を含む、請求項３に記載の燃焼器。
5. 前記噴射器は、前記中心長手軸線と、実質的に５２度の狭角で交わる軸線に沿って燃料を噴射する、請求項４に記載の燃焼器。
6. 前記排気流の前記第１の部分と前記第２の部分の両方を混ぜ合わせる混合器をさらに含む、請求項１に記載の燃焼器。
7. 前記混合器は、前記外側筺体の内側面に取り付けられた環状フランジをさらに備える、請求項６に記載の燃焼器。
8. 前記内側筺体および前記外側筺体は円筒形状を有し、前記バイパス流経路は、前記内側筺体と前記外側筺体との間で画定された環状断面を有する、請求項１に記載の燃焼器。
9. エンジンからの排気流を処理する排ガス処理システムのための燃焼器であって、
   上流の閉塞された端部と、中心軸線とを有し、前記排気流の第１の部分を、前記排気中で運ばれる未燃焼の燃料が点火される燃焼域を通るように向かわせる燃焼流経路を画定する管状の内側筺体と、
   前記中心軸線と同軸で一直線とされた排気入口を含む管状の外側筺体であって、前記内側筺体を包囲し、前記閉塞された端部と、前記内側筺体と前記外側筐体との間とを横切るバイパス流経路を画定して、前記燃焼域の周りに前記排気流の第２の部分を迂回させる外側筺体と、
   前記内側筺体と前記外側筺体の一方に固定され、前記内側筺体の空洞と連通する噴射管と
   を備える燃焼器。
10. 前記内側筺体と前記外側筺体の一方に固定され、前記中心軸線と９０度以外の角度で交差する点火装置軸線に沿って点火装置を受けるように適合された開口を有する点火装置取付部をさらに含む、請求項９に記載の燃焼器。
11. 前記点火装置軸線と前記噴射管とが、実質的に同じ角度で前記中心軸線と交差する、請求項１０に記載の燃焼器。
12. 前記点火装置取付部が、前記外側筺体の円錐形状部に固定される、請求項１１に記載の燃焼器。
13. 前記内側筺体は、前記閉塞された端部の下流の位置で前記内側筺体を貫通して延びる開口を含み、排気流の前記第１の部分を前記燃焼域へと流入させることができる、請求項１２に記載の燃焼器。
14. 前記バイパス流経路は、排気を前記噴射管の外側面上に向かわせる、請求項１３に記載の燃焼器。
15. 前記排気流の前記第１の部分と前記第２の部分の両方を混ぜ合わせる混合器をさらに含む、請求項１４に記載の燃焼器。

Images