JP2015529790A - 燃焼のための方法及び装置 - Google Patents
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Abstract
本発明は、液体燃料の均質燃焼を提供するための燃焼器に関する。それは、複数の反応ゾーン（Ａ、Ｂ、Ｃ）を有し、このうちの１つがインジェクション（混合と蒸発）ゾーン（Ａ）であり、残りが蒸発した燃料と空気のための段階化された均質燃焼ゾーンである、燃焼室（１）を備える、実質的にチューブ状の燃焼装置である。０．６から２．５の間のスワール数でフロー絞り板（３）と組み合わせて動作するように構成された、燃料と空気を混合するためのスワーラベース（４ａ）とスワーラ部材（２ａ、２ｂ）とを備える、スワラ（２’、２’’）が設けられる。フロー絞り板の絞りのサイズは、絞りの開口径（Ｄｅ）のチューブ状の燃焼装置（１）の直径（Ｄ）との比が＜０．７である。また、絞り板（３）はスワーラベース（４ａ）の基部からの距離Ｌ１がＬ１／Ｄｅ＞１となるように配置される。また、均質燃焼プロセスの最大の混合を可能にするよう、絞り板（３）からの距離Ｌ２が比率Ｌ２／Ｌ１＜１となるように、絞り板（３）から下流に配置される、一次混合板（７）が提供される。
Description
背景
液体燃料（たとえば、ディーゼルおよびガソリン）の従来の燃焼器／バーナーは、標準的に、拡散フレームを用い動作するが、液体燃料（通常は、インジェクタースプレーからの液滴）はフレーム前面でカプセル化され、燃焼の間直接蒸発される。そして、高い局所温度をもたらすと同時に、燃料とフレーム間との接触面で形成され、高価なクリーンアップ方法が燃焼器に適用されない限り環境の汚染をもたらす可能性がある、高排出量のすすと窒素酸化物（ＮＯｘ）につながる。
液体燃料（たとえば、ディーゼルおよびガソリン）の従来の燃焼器／バーナーは、標準的に、拡散フレームを用い動作するが、液体燃料（通常は、インジェクタースプレーからの液滴）はフレーム前面でカプセル化され、燃焼の間直接蒸発される。そして、高い局所温度をもたらすと同時に、燃料とフレーム間との接触面で形成され、高価なクリーンアップ方法が燃焼器に適用されない限り環境の汚染をもたらす可能性がある、高排出量のすすと窒素酸化物（ＮＯｘ）につながる。
米国特許出願公開第２０１２／０６４４６５Ａ１号、米国特許第３，８８６７，２８号、米国特許第５，２０９，１８７号および米国特許第５，０１５，１７４号は、優先権出願の出願時の技術水準に係る燃焼装置あるいはバーナーを開示する。これらのデバイスはすべて、旋回空気を作成するためのインジェクションゾーン／インジェクションチャンバを備える。
しかし、それらのいずれも、空気と燃料の混合を増強するため、およびホットスポット発生のリスクを低減するための、さらなる装置とこれらの特徴との組み合わせを示さない。
発明の概要
そのため、ホットスポットを防止する際の従来技術の欠点に鑑みて、混合を強化する装置を提供するために、発明者は、請求項１に規定される新規な装置を考案した。
そのため、ホットスポットを防止する際の従来技術の欠点に鑑みて、混合を強化する装置を提供するために、発明者は、請求項１に規定される新規な装置を考案した。
本発明による方法及び装置では、燃焼プロセス中に空気と燃料との完全な混合を通して一酸化炭素を除去することを含む、より低い温度とより少ない燃料の排出および完全燃焼をもたらす条件とで、クリーンで均質な燃料の燃焼をもたらす、空気と液体燃料の完全な蒸発および混合方法が提供される。
そのため、液体燃料の均質燃焼を提供するための実質的にチューブ状の燃焼装置は、複数の反応ゾーンＡとＢとＣとを有する燃焼室（１）を備え、複数の反応ゾーンの１つがインジェクション混合と蒸発ゾーンＡであり、他が蒸発した燃料と空気のための段階化された均質燃焼ゾーンである。また、０．６〜２．５の間のスワール数でフロー絞り板３と組み合わせて動作するように構成された、燃料と空気を混合するためのスワーラベース４ａとスワーラ部材４ｂおよび４ｃとを備えるスワーラ２もあり、フロー絞り板の絞りのサイズは、絞りの開口径ｄｅのチューブ状の燃焼装置１の直径ｄとの比が＜０．７であり、また、絞り板３はスワーラベース４ａの基部からの距離Ｌ１がＬ１／Ｄｅ＞１となるように配置される。一次混合板７は、均質燃焼プロセスの最大の混合を可能にするよう、絞り板３からの距離Ｌ２が比率Ｌ２／Ｌ１＜１となるように、絞り板３から下流に配置される。
好ましくは、燃焼装置は、ディーゼルとガソリンのいずれかの形の燃料を使用する。
好ましい実施形態では、燃焼装置は、増加された均質化を通じて、および／または部分的もしくは完全な触媒条件下でプロセスを動作させるための触媒を用いて、反応器の全長を短くするための、二次混合板を備える。
好ましい実施形態では、燃焼装置は、増加された均質化を通じて、および／または部分的もしくは完全な触媒条件下でプロセスを動作させるための触媒を用いて、反応器の全長を短くするための、二次混合板を備える。
適切には、燃焼装置は、動作中の燃料圧力がインジェクションゾーン内の蒸発を最適化するために、３〜２０バールの上昇された圧力であるように構成される。
好ましくは、絞り板３に、インジェクションゾーンＡへの燃焼生成物の再循環を向上させるための、凸状円錐部９が設けられる。
別の態様では、３〜２０バールの過圧領域で動作する高圧ノズル１０を用いて、燃焼室１の第１の反応ゾーンＡに液体燃料を噴射し、０．６から２．５の範囲内のスワール強度を生成するスワーラ２によって燃焼室１に軸方向に連続的に導かれる空気と燃料を混合し、始めに従来の拡散フレームを発生させる点火装置を有する燃焼器の起動の間に生成された燃料／空気の混合物に点火し、燃焼室１内で径方向の絞り３を介する始めの旋回混合の後に、燃焼混合拡散フレームを強制する、燃焼方法が提供される。
図面の簡単な説明
発明は、以下の添付図面を参照して説明する。
発明は、以下の添付図面を参照して説明する。
発明の説明
１つの実施形態では、図１に示す燃焼反応器１は、複数の、適切には３つの反応ゾーンＡとＢとＣとを備え、このうちＡは混合および蒸発が起こるインジェクションゾーンであり、燃料が燃焼室に噴射され気相蒸発しながら空気と混合する。ゾーンＡは、インジェクションゾーンＡへの高温燃焼生成物の再循環のために設計されたフロー絞り板３により、ゾーンＢから分離される。ゾーンＢ及びＣは、蒸発した燃料と空気との段階化された均質燃焼のための混合装置７によって分離された均質燃焼ゾーンである。
１つの実施形態では、図１に示す燃焼反応器１は、複数の、適切には３つの反応ゾーンＡとＢとＣとを備え、このうちＡは混合および蒸発が起こるインジェクションゾーンであり、燃料が燃焼室に噴射され気相蒸発しながら空気と混合する。ゾーンＡは、インジェクションゾーンＡへの高温燃焼生成物の再循環のために設計されたフロー絞り板３により、ゾーンＢから分離される。ゾーンＢ及びＣは、蒸発した燃料と空気との段階化された均質燃焼のための混合装置７によって分離された均質燃焼ゾーンである。
適切には、絞り板３は、好適には、インジェクションゾーンＡへの燃焼生成物の再循環を向上させるために凸状円錐部９が設けられる。
動作において、液体燃料は、燃料圧力がインジェクションゾーン内の蒸発を最適化する３〜２０バールの過圧で動作する高圧ノズルによって燃焼室１のゾーンＡ内に噴出され、そこで図２ａと２ｂとに示されるような径あるいは軸タイプであってもよいスワーラ２によって燃焼室１に軸方向に連続的に導かれる空気と燃料とが混合され、０．６−２．５の範囲のスワール強度を生む。 そのため、スワーラ２は、スワーラベース４ａとスワーラ部材４ｂおよび４ｃとによって構成される。
径タイプのスワーラ部材４ｂは、ある角度で燃焼室の内側に突出し、スワーラベース４ａの外周に同心円に沿って配置される「ブレード」として設けられる。軸タイプのスワーラ部材４ｃは、燃焼室に入る前の差込部内に配置された「ブレード」として提供される。
生成された燃料／空気混合物が、燃焼器の起動の間に、グロープラグやスパークプラグといった始めに従来の拡散フレームを発生する従来の点火装置で点火されるが、これらの装置に限定されない。燃焼混合拡散フレームは、径方向の絞り３を介して強制される始めの旋回混合の後であり、チューブの直径Ｄに対する径方向の絞りの開口径Ｄｅの比が０．７未満、Ｄｅ／Ｄ＜０．７であり、スワーラ２のスワーラベース４ａと絞り板３との間の距離Ｌ１が、絞りの開口径Ｄｅとの比が１より大きく、Ｌ１／Ｄｅ＞１である。
図２ａに示す径のスワーラ２’は、ノズル６’とスワーラ２の周縁部Ｐの間の位置のノズル６’の周囲に同心円状に配置された、バッフル状の部材２ａを有するスワーラベース板部材４ａを備える。これらのバッフル２ａは、板２に付属するまたは一体であるセグメントの一部を残すことによって、円形のセグメントに対応するスワーラ板４ａ内の一部をパンチングまたは切り出すことによって作られる。これは、スワーラベース板４ａの面からある角度で突出する、上方に屈曲可能である折り畳み可能な「フラップ」を作成する。
図２ｂは、ベース板４ａと、ノズル６”の周囲に同心円状に配置された偏向部材２ｂ”と、を有する軸方向スワーラ２”を示している。
説明されたものとは別に、空気流の方向を変える手段が多数構成可能であり、開口部自体を角度を形成する穴とすることなどが想定できる。
上述の絞り３を導入することにより、得られた高温ガス混合物内の燃料を蒸発させるための手段を提供し、燃料噴射ゾーンへの高温の燃焼生成物の再循環を可能にする負の流れのゾーンが、ゾーンＡとＢとの間の燃焼器１の中央部５に作成される。燃料を直接蒸発させることによって、反応器ゾーン内での燃料の滞留時間が減少し、結果として燃焼は、直接ノズル６の直上から絞り板３に「リフト」される。絞り板３では、反応器ゾーンＡのインジェクションゾーンへの高温燃焼ガスの再循環から生成される高温気相で燃料が完全に蒸発されるため、すなわち完全に予め混合された気相の燃焼が行われる。
さらに、一次混合板７は、燃焼生成物の混合をさらに増加させ、ホットスポットの形成のリスクをさらに低減するために、絞り板３から距離Ｌ２に配置される。混合板７は、絞り板３からの距離Ｌ２がＬ２／Ｌ１＜１となるように配置される。
いくつかの場合には、二次混合板８が、さらに均質燃焼プロセスの全混合を増加させることにより、燃焼器１の全長Ｌ４を低減するために、燃焼器１に追加されることができる。混合板８は、最適な排出燃焼器のための触媒燃焼器へと燃焼器を変換するための触媒によって置き換えることができる。
Claims (7)
- 液体燃料の均質燃焼を提供するための実質的にチューブ状の燃焼装置であって、１つがインジェクション（混合と蒸発）ゾーン（Ａ）であり、他が蒸発した燃料と空気のための段階化された均質燃焼ゾーンである、複数の反応ゾーン（Ａ、Ｂ、Ｃ）を有する燃焼室（１）を備える燃焼装置において、
（ａ）０．６〜２．５の間のスワール数でフロー絞り板（３）と組み合わせて動作するように構成された、燃料と空気を混合するためのスワーラベース（４ａ）とスワーラ部材（４ｂ、４ｃ）とを備えるスワーラ（２）において、前記フロー絞り板の絞りのサイズは、絞りの開口径（ｄｅ）の前記チューブ状の燃焼装置１の直径（ｄ）との比が＜０．７であり、また、前記絞り板（３）は前記スワーラベース（４ａ）の基部からの距離Ｌ１がＬ１／ｄｅ＞１となるように配置される、スワーラ（２）と、
（ｂ）均質燃焼プロセスの最大の混合を可能にするよう、前記絞り板（３）からの距離Ｌ２がＬ２／Ｌ１＜１の比率となるように、前記絞り板（３）から下流に配置される一次混合板（７）と、によって特徴づけられる、燃焼装置。 - 前記燃料がディーゼルとガソリンのいずれかである、請求項１に記載の燃焼装置。
- 増加された均質化を通じて、および／または部分的もしくは完全な触媒条件下で前記プロセスを動作させるための触媒を用いて、前記反応器の全長を短くするための二次混合板を備える、請求項１に記載の燃焼装置。
- 動作中の前記燃料の圧力が、前記インジェクションゾーン内の蒸発を最適化するために３〜２０バールの上昇された圧力であるように構成される、請求項１に記載の燃焼装置。
- 前記絞り板（３）に、前記インジェクションゾーンＡへの燃焼生成物の再循環を向上させるための凸状円錐部９が設けられる、請求項１に記載の燃焼装置。
- ３〜２０バールの過圧領域で動作する高圧ノズル（１０）を用いて、燃焼室（１）の第１の反応ゾーン（Ａ）に液体燃料を噴射し、
０．６から２．５の範囲内のスワール強度を生成するスワーラ（２）によって前記燃焼室（１）に軸方向に連続的に導びかれる空気と前記燃料を混合し、
初めに従来の拡散フレームを発生させる点火装置を有する燃焼器の起動の間に生成された前記燃料／空気の混合物に点火し、
前記燃焼室（１）内での径方向の前記絞り（３）を用いた初めの旋回混合の後に、燃焼混合拡散フレームを強制する燃焼方法。 - チューブの直径Ｄに対する前記径方向の絞りの開口径Ｄｅの比が０．７未満、Ｄｅ／Ｄ＜０．７であり、前記スワーラ（２）の前記スワーラベース（４ａ）と前記絞り板（３）との間の距離Ｌ１が、前記絞りの開口径Ｄｅとの比が１より大きく、Ｌ１／ｄｅ＞１である、請求項６に記載の燃焼方法。
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