JP2559620B2 - ディーゼルエンジンの排気濾過装置および排気濾過方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、ディーゼルエンジンの排気からカーボンブ
ラック等を濾過する装置および方法に関するものであ
る。

〔従来の技術および発明が解決しようとする課題〕

ある負荷条件の下では、ディーゼルエンジンはカーボ
ンブラック等の煤煙を発生する。そのカーボンブラック
は、排気から除去せねばならない。５〜８運転時間中に
発生したカーボンブラックを集めるセラミック製のカー
ボンブラックフィルタが現在試験されている。

その後、そのフィルタを使用する時は、フィルタを再
生することが求められる。その再生は、フィルタに集め
られているカーボンブラック粒子を、600℃以上の高排
気温度で燃焼することにより行なわれる。

ディーゼルエンジンでは空気量が過剰であるから、そ
のように高温の排気温度はディーゼルエンジンでは得ら
れない。最新は、専用の燃焼器を有するフィルタを用い
る方法が試されている。その専用燃焼器は、ディーゼル
エンジンの脈動する排気圧力に対して連続して動作しな
いことがあるから、再生中にフィルタが付加消音器を介
して橋絡されるような装置について試験が行なわれる。

本発明の目的は、ディーゼルエンジンの運転中に、エ
ンジンの排気を側路することなしに、フィルタを再生す
ることができるディーゼルエンジンの排気濾過装置およ
び方法を提供することにある。

〔課題を解決するための手段および作用〕

本発明によれば、燃焼器の主燃焼室の内部に空気を強
制的に供給することにより、導入された燃料の燃焼がカ
ーボンブラックを生成することなしに部分的に行なわれ
る。燃料の未燃焼部分は、燃焼ガスとともに副燃焼室へ
導かれて、エンジンの排気中に含まれている酸素により
燃焼する。最初の燃焼は加えられた外部空気により行な
われ、２回目の燃焼のためだけに車両のエンジン排気が
用いられる。主燃焼のためには化学量論的に必要な量以
下の量の圧縮空気が用いられるので、空気の消費量は比
較的少い。

燃焼器の霧化ノズルは、うず巻き要素が設けられてい
る種類の環状ノズルであることが好ましい。その環状ノ
ズルは、環状の霧化舌片を有し、その霧化舌片の内部に
沿って燃料が流れ、回転している空気流により霧化され
て円錐状の流れを形成する。脈動する逆圧と、空気不足
にもかかわらず、そのような空気霧化ノズルを用いるこ
とにより信頼できる安定な燃焼が確実に行なわれる。主
燃焼に必要な全空気量が低くとも10ミリバールの差圧で
供給されるものとすると、ノズルの直後で細かな燃料霧
と燃焼用空気の強い混合が行なわれる。霧化ノズルのう
ず巻き要素によりひき起される高温のガスの再循環とと
もに行なわれる燃焼は、圧力の脈動とは独立している。

燃焼器へ供給される圧縮空気は、車両の空気圧縮装置
から、過臨界圧力比で動作させられるノズルを介して霧
化ノズルへ供給される。過臨界圧力比というのは、最も
狭いノズル断面内の空気が少くとも音速で流れることを
意味する。したがって、エンジン排気の圧力脈動とは独
立している燃焼器性能が得られる。

あるいは、燃焼空気を容積型ブロワにより供給するこ
とができる。また、空気質量流量はディーゼルエンジン
の排気流の逆圧により影響を受けないか、僅かに影響を
受けるだけであるから、燃焼器の動作は空気質量流量お
よび燃焼器の性能による影響を受けない。空気圧縮装置
がディーゼルエンジンの速度に結合され、燃料が回転ポ
ンプによっても供給されるものとすると、その結果とし
て混合器の量の制御は速度に比例することになる。ディ
ーゼルエンジンの速度が変化すると、燃焼器はそれの性
能を変化した排気の質量流量に自身で合わせる。こうす
ることにより、再生動作中にフィルタの温度を完全に維
持できる。

燃焼器の寸法は非常に小さいから、フィルタのハウジ
ング内部に容易に納めることができ、かつ熱交換器によ
り燃焼器をエンジンの排気で冷却できる。

〔実施例〕

以下、図面を参照して本発明を詳しく説明する。

第１図に示されているフィルタ装置は、円筒形のハウ
ジング10を有する。このハウジングの一端には、エンジ
ンの排気を受ける半径方向または接線方向の入口11が設
けられる。

ハウジング10の内部には、セラミック製のフィルタ12
がハウジング10の全横断面を占めるようにして配設され
ている。ハウジング10の他端部に設けられている出口部
13を通じてエンジンの排気と燃焼ガスが排出される。燃
焼器16の主燃焼室15を囲む環状分配室14の中へ排気入口
11が延長する。

ノズルハウジング19のカバー壁18には、霧化ノズル17
が固定されている。そのカバー壁18は、ハウジング10の
端部壁へフランジで取付けられて主燃焼室15を囲む。

更に、ノズルハウジング19が空気入口21を含む。この
空気入口21を通って圧縮空気がノズルハウジング19の内
部へ押しこめられる。

第２図から明らかなように、燃料ダクト20が霧化ノズ
ル17の内側を延長して該ノズル17の端部側から出る。ダ
クト出口20aの周囲には、霧化ノズル17のフランジ型端
部壁22が位置しており、この端部壁22の部位に翼形空気
誘導うず巻き要素23が配設されている。

第３図から明らかなように、それらのうず巻き要素23
は、周辺方向へ傾斜させられるとともに、内端部へ向っ
てテーパーを成す。それらのうず巻き要素23は、円周方
向成分を半径方向の空気流に変える複数の通路24を形成
する。空気が各通路24の内部でしだいに加速されるよう
に、各通路の横断面はそれの内端部へ向って減少する。

うず巻き要素23は、端部壁22と、この端部壁22と平行
する板25との中間に配置される。うず巻き要素23からそ
らされた板25の端部壁は、別のノズル室の境界壁を形成
する。その別のノズル室には、板25に平行する別の板27
の端部側に設けられているうず巻き要素26も取付けられ
る。それらのうず巻き要素26は、板22のうず巻き要素23
と同様に構成および配置される。

圧縮空気入口21を通った空気は、ノズルハウジング19
内で横方向に流れ、その後、該ノズルハウジング19の内
部で分布されて半径方向に流れる。そして、うず巻き要
素23の通路24の中に流れこみ、かつ、中間のうず巻き要
素26の対応する通路の中にも流れこむ。それらのうず巻
き要素のために、ねじれる流れ、すなわち、循環する流
れが空気へ伝えられる。

圧縮空気入口21に供給される圧縮空気の量は、化学量
論的に必要な空気量、つまり、燃料の完全燃焼に要求さ
れる空気量よりも少ない。したがって、圧縮空気と燃料
とによって混合気を形成した場合、この混合気は燃料が
過剰な状態になる。

板25は環状である。この板25の内部境界には、流れ方
向に突出する環状ブレード29が形成されており、この環
状ブレード29はそのテーパー状端部が円錐状を成す。ま
た、環状板27の内縁部は、流れ方向に偏向させられて、
ある半径方向距離においてブレード29を囲む円錐状の環
30を形成する。

燃料ダクト20の出口20aから排出された液状燃料は、
回転している空気流により捕えられ、ブレード29の内側
に吹付けられる。ブレード29の両側は、回転しながら軸
線方向に動いている空気流により囲まれるので、燃料を
その円形先端部から分離して、滴として細かに、かつ一
様に分配する。それらの燃料の滴は、燃焼空気に混合さ
れて管状の主燃焼室15の中に入る。

高い圧力の下におけるねじれた噴射のために、主燃焼
室15の内部に環状の流れロールが形成される。それらの
環状流れロール内で混合気流の一部がリサイクルさせら
れて長手軸の周囲を回転する。混合気に点火するために
主燃焼室15の内部には電極31が設けられる。

主燃焼室15は、霧化ノズル17からそらされた端部にお
いて環状壁32により制限され、この環状壁32によって燃
料ガスを排出するための開口部33を形成している。環状
壁32の後方には、その環状壁32から隔てられて端部壁34
が設けられる。その端部壁34は、主燃焼室15の後方に設
けられている室35の後方域を制限する。

主燃焼室15の外側の周辺壁において、熱交換器リブ36
が上記端部壁34まで延長する。燃焼ガスは、それらのリ
ブ36の間を室35から半径方向に流れ出て副燃焼室37の中
に入る。その副燃焼室37の一端は、フィルタ12により制
限される。

分配室14から環状通路38が熱交換器リブ36まで延長す
る。エンジンの排気は、通路38を通ってリブ36に沿って
流れ、その後、燃焼ガスに混合されて副燃焼室37の中に
入る。その副燃焼室37から高温の混合ガスがフィルタ12
を通って出口部13へ流れる。

室35の周縁部が横方向流れ混合器39を形成する。その
横方向流れ混合器39の内部でガス流が強く混合される。

圧縮空気入口21は、ノズル40を含む。このノズル40
は、正確な流れ通路を有し、切換え弁41を介してディー
ゼルエンジンDMの圧縮空気コレクタ42へ連絡される。デ
ィーゼルエンジンDMの駆動軸は、圧縮空気コレクタ42へ
圧縮空気を供給するブロワ43を直接に、または減速機を
介して駆動する。

切換え弁41が開かれ、かつ、燃料がポンプにより燃料
ダクト20へ送られると、燃料と空気は霧化ノズル17に達
する。霧化ノズル17の内部における著るしいねじれのた
めに、主燃焼室15における炎が安定させられて、化学量
論的に必要な空気量より少い空気が供給されているにも
かかわらず、カーボンブラックを生成することなしに燃
料は燃焼する。

主燃焼室15の壁を冷却するために、エンジンDMの排気
は入口11と分配室14を通って、熱交換器リブ36の間の隙
に入る。エンジンDMの排気と燃焼ガスが横方向流れ混合
器39内で混合されると、この混合ガスは排気中に含まれ
ている残留酸素により燃焼室37の内部で燃焼する。この
ようにして加熱されたガスは、セラミックフィルタ12を
通って流れ、該フィルタ12に付着したカーボンブラック
を燃焼させる。

第４図は、霧化ノズル17へ供給される圧縮空気が容積
ポンプすなわちロータリーポンプ45により発生される実
施例を示す。このポンプ45は、クラッチ46を介してディ
ーゼルエンジンDMの駆動軸47に連結されている。燃料
は、ディーゼルエンジンDMの駆動軸47により駆動される
ロータリーポンプ48により燃料ダクト20へも供給され
る。圧縮空気の量と燃料の量はエンジン速度に応じて変
化するが、両者の比は一定に保たれることから、混合気
の量の制御は速度比例制御となる。したがって、ディー
ゼルエンジンの速度が変化する場合には、燃焼器の性能
は、変化する排気の量に常に適応させられる。この結
果、再生中は、フィルタの温度がほぼ一定に保たれる。

【図面の簡単な説明】

第１図はフィルタ装置の概略縦断面図、第２図は霧化ノ
ズルの詳細な縦断面図、第３図は第２図のIII−III線に
沿う断面図、第４図は霧化ノズルへの空気供給を示す別
の実施例の図である。 10……ハウジング、15……主燃焼室、16……燃焼器、17
……霧化ノズル、23,26……うず巻き要素、32……環状
壁、36……熱交換器、37……副燃焼室、39……横方向流
れ混合器、40……ノズル、43……容積型ブロワー。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭60−30413（ＪＰ，Ａ) 実開 昭59−43621（ＪＰ，Ｕ)

Claims (8)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】渦巻き状に回転しながら軸線方向に進行す
   る空気流を形成する複数の渦巻き要素（23）を有し、前
   記空気流によって燃料を霧化して放出する噴霧ノズル
   （17）と、 前記噴霧ノズル（17）に燃料と化学量論的な量よりも少
   ない量の圧縮空気とを供給する供給手段（41,42,45）
   と、 前記噴霧ノズル（17）に隣接して配設され、前記噴霧ノ
   ズル（17）から放出される混合気を受入れて、前記燃料
   の一部を付加空気を供給することなく燃焼させる主燃焼
   室（15）と、 前記主燃焼室（15）に隣接する副燃焼室（37）と、 前記副燃焼室（37）で前記燃料の不燃焼部分を前記エン
   ジン（DM）の排気に含まれた残留酸素によって燃焼させ
   るべく、前記エンジン（DM）の排気および前記主燃焼室
   （15）から排出されるガスを前記副燃焼室（37）に導く
   手段（11,14,35,36,39）と、 前記副燃焼室（37）から排出されるガスを通過させるフ
   ィルタ（12）と を備えることを特徴とするディーゼルエンジンの排気濾
   過装置。
2. 【請求項２】前記主燃焼室（15）を制限する環状壁（3
   2）を含み、前記環状壁（32）は、前記主燃焼室（15）
   から排出されるガスと前記エンジン（DM）の排気とを前
   記副燃焼室（37）に導くための室（35）を端部壁（34）
   と共に画成する特許請求の範囲（１）記載のディーゼル
   エンジンの排気濾過装置。
3. 【請求項３】前記主燃焼室（15）を囲む熱交換器（36）
   を含み、該熱交換器（36）は、前記副燃焼室（37）に導
   かれる前記エンジン（DM）の排気が通過するように配置
   された特許請求の範囲（１）記載のディーゼルエンジン
   の排気濾過装置。
4. 【請求項４】前記主燃焼室（15）に隣接した横流れ混合
   器（39）を含み、前記横流れ混合器（39）は、前記副燃
   焼室（37）に連通し、前記主燃焼室（15）から排出され
   るガスが径方向に通るように、かつ、前記エンジン（D
   M）の排気が横方向に通るように配置された特許請求の
   範囲（１）記載のディーゼルエンジンの排気濾過装置。
5. 【請求項５】前記噴霧ノズル（17）に前記圧縮空気を供
   給するためのノズル（40）を含む特許請求の範囲（１）
   記載のディーゼルエンジンの排気濾過装置。
6. 【請求項６】前記圧縮空気を発生するための容積型ブロ
   ワ（43）を含む特許請求の範囲（１）記載のディーゼル
   エンジンの排気濾過装置。
7. 【請求項７】前記主燃焼室（15）、副燃焼室（37）およ
   びフィルタ（12）を内蔵するハウジング（10）を含む特
   許請求の範囲（１）記載のディーゼルエンジンの排気濾
   過装置。
8. 【請求項８】化学量論的な量よりも少ない量の圧縮空気
   を用いて渦巻き状に回転しながら軸線方向に進行する空
   気流を形成するステップと、 前記空気流によって燃料を霧化して、空気の量が前記化
   学量論的な量よりも少ない混合気を形成するステップ
   と、 前記混合気に点火して、前記燃料の一部を燃焼させる主
   燃焼ステップと、 前記主燃焼ステップで加熱されたガスにエンジンの排気
   を混合し、該ガスに含まれた前記燃料の未燃焼部分を前
   記エンジンの排気に含まれた残留酸素の助けで燃焼させ
   る副燃焼ステップと、 前記副燃焼ステップで加熱されたガスをフィルタに通す
   ステップと を含むディーゼルエンジンの排気濾過方法。