JP5473023B2 - プラズマバーナ及び煤煙濾過装置 - Google Patents
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Description
本発明は排気管内にプラズマバーナを設置し予熱することにより、排気ガス内の粒子状物質を効果的に酸化させて除去し、排気管周囲の空間配置を極大化するプラズマバーナ及び煤煙濾過装置に関する。
また、ディーゼルエンジンの燃焼時に、燃料の高圧噴射期間が短くて燃焼室内で局部的に濃厚領域が発生し、このため多量の煤煙が発生する。
本発明は、排気管内にプラズマバーナを設置して予熱することによって、排気ガス内の粒子状物質を効果的に酸化して除去し、排気管周囲の空間配置を極大化するプラズマバーナ及び煤煙濾過装置を提供する。
また、プラズマバーナは、排気管内に設置されて排気管周囲の空間配置を極大化することができる。
なお、燃料及び噴射空気を混合予熱し混合気体を排気ガスと混合し、プラズマ放電で火炎を発生させて、排気ガス内の粒子状物質を効果的に酸化して除去する効果がある。
また、燃料、空気及び放電空気を混合予熱し混合気体を排気ガスと混合し、プラズマ放電で火炎を発生させて、排気ガス内の粒子状物質を効果的に酸化して除去する効果がある。
例えば、煤煙濾過装置は、燃料及び排気ガスをプラズマバーナ100に供給する燃料流入管路112を有する。
図2及び図3を参照すれば、プラズマバーナ100は、ベース140、電極150及び反応炉160を有する。
混合チャンバー142には排気ガス流入口194が連結される。排気ガス流入口194に供給される排気ガスは、混合チャンバー142内の混合気体を混合気噴射口166を介して反応炉160内部に噴射する。
反応炉160は円筒形状で、電極150は次第に狭くなる形状をなしているので、反応炉160の内壁と電極150の間の距離は次第に遠くなる。即ち、吸熱チャンバー156側で電極150の外面と反応炉160の内壁の間の距離は、最大拡張部で最短距離を形成し、電極150が狭くなることによって次第に長距離となる。
例えば、反応炉160とベース140は、排気管140の長手方向に沿って一直線状に配置され、互いに対向する外側を溶接やボルティング(bolting)方法で電極150を内蔵した状態で連結される。
図4を参照すれば、混合気噴射口166は複数に形成されて反応炉160に円周方向に沿って等間隔で配置され、円筒の中心方向に対して予め設定された角度で傾斜して形成される。
複数の等間隔で配置される混合気噴射口166は、反応炉160内で円周方向に沿って均一な回転流を形成し、反応炉160内部空間を効率的に活用できるようにする。
図5を参照すれば、プラズマバーナ100は、カウル(頭部の覆い)171をさらに含む。カウル171は、反応炉160の前方に配置され、火炎噴出口128から噴出する火炎の噴出を案内し、噴出される火炎と反応炉160外部の排気ガスとの急な混合によって火炎が不安定になることを防止することができる。カウル171は、連結部材172を介して反応炉160の外壁に設置できる。
図6を参照すれば、プラズマバーナ100は、カウル171の前方に燃料噴射ノズル173をさらに含む。燃料噴射ノズル173は、燃料タンク30に連結されて燃料が供給され、カウル171の前方に配置されてカウル171を介して案内される火炎に燃料を噴射する。
火炎に噴射された燃料は、火炎の熱によって蒸発し、相当部分燃焼されて排気ガスの追加的な加熱を可能とする。
図7乃至図9を参照すれば、プラズマバーナ100は、反応炉160の火炎噴出口128の周囲に流動撹乱部材(174、177、179)をさらに含む。流動撹乱部材(174、177、179は)は、図7乃至図9において各々異なる。
図10を参照すれば、燃料流入管路112は熱交換機132を含む。
例えば、燃料流入管路112の熱交換機132はコイル形状に形成され、排気管40内での吸熱面積を増大させて、燃料流入管路112に供給される燃料を加熱する。
なお、第7実施例は、第2実施例に熱交換機(132、134、136)を設けた例を示す。第1実施例、第3実施例乃至第6実施例、及び第8実施例にも同様に適用できる。
図11を参照すれば、電極150は貫通形成される第3通路159をさらに含む。第3通路159は、吸熱チャンバー156を反応炉160の内部に直接連結する。即ち、第3通路159は、大部分の混合気体が第2通路154b、混合チャンバー142及び混合気噴射口166を経由する際に、一部の混合気体を吸熱チャンバー156から反応炉160に直接噴射するようになる。結果的に第3通路159は、燃料供給管112を介して大量の燃料供給を可能とする。
図12を参照すれば、排気ガス流入口194周囲には排気ガスガイド181が形成される。排気ガスガイド181は、ベース140に分散形成されている排気ガス流入口194の分布面積より広い面積の開口及び開口から次第に狭くなる形状によって、排気ガスを排気ガス流入口194に案内する。
また、第9実施例は、第1実施例に排気ガスガイド181及び第1、第2排気ガスガイド(181a、181b)を設けた例を示す。第2実施例乃至第8実施例にも同様に適用できる。
本実施例による煤煙濾過装置は、燃料と噴射空気をプラズマバーナ200にそれぞれ供給する燃料流入管路212、噴射空気流入管路214を有する。
また、排気ガス流入口294は、排気管40内の排気ガスを混合チャンバー242に流入する。排気ガス流入口294に流入する排気ガスは、燃料と空気の混合気体で生じるプラズマ放電によって形成される火炎を火炎噴出口228に噴出する。
排気ガス流入口294は、排気ガスを流入させて混合チャンバー242内の混合気体を高温に維持できるようにする。
図14及び図15を参照すれば、プラズマバーナ200は、ベース240、電極250及び反応炉260を有する。
ベース240の燃料流入口222と噴射空気流入口224からそれぞれ流入する燃料及び空気は、吸熱チャンバー256に流入して混合気体状態で混合され、加熱される。絶縁体252は、電極250をベース240または反応炉260と電気的に絶縁させる。
装着部254は、2重管による2重通路を形成し、内側に形成される第1通路254aと、第1通路254aの外側に形成される第2通路254bを含む。第1通路254aには噴射空気流入管路214が結合される。第2通路254bには吸熱チャンバー256と混合チャンバー242が連結される。
燃料流入管路212に供給される燃料は、吸熱チャンバー256の一側まで供給され、燃料流入管路212の端では噴射空気流入管路214に供給される噴射空気により、吸熱チャンバー256内に混合気体状態で噴射される。
図16を参照すれば、燃料流入管路212及び噴射空気流入管路214は、各々熱交換機(232、234)を有する。
噴射空気流入管路214の熱交換機234は、コイル形状に形成され、排気管40内での吸熱面積を増大させて噴射空気流入管路214に供給される噴射空気を加熱する。
熱交換機(232、234)は、燃料流入管路212及び噴射空気流入管路214に全て設置することができるが(図16参照)、そのうちの1ヶ所または2ヶ所に形成してもよい(図示せず)。
本実施例による煤煙濾過装置は、燃料と噴射空気及び放電空気をプラズマバーナ300に各々供給する燃料流入管路312、噴射空気流入管路314及び放電空気流入管路316を有する。
図18及び図19を参照すれば、プラズマバーナ300は、ベース340、電極350及び反応炉360を有する。
電極350は、ベース340に絶縁体352を介在して装着される装着部354と、装着部354から延びる内部に形成される吸熱チャンバー356を含む。
電極350は、装着部354のベース340反対側で拡張されて最大拡張部を形成し、かつ次第に狭くなる形状を有する。即ち、吸熱チャンバー356はほぼ円錐形状に構成される。
燃料流入管路312に供給される燃料は吸熱チャンバー356の一側まで供給され、燃料流入管路312の端では、噴射空気流入管路314に供給される噴射空気により吸熱チャンバー356内に混合気体状態で噴射される。
混合チャンバー342には放電空気流入管路316が連結される。放電空気流入管路316に供給される放電空気は、混合チャンバー342内の混合気体を混合気噴射口366を介して反応炉360内部に噴射する。
燃料及び空気の混合気体のプラズマ放電は、水素と一酸化炭素を含む先酸化物質に改質して、酸化触媒60による酸化を容易にする。
図20を参照すれば、燃料流入管路312、噴射空気流入管路314及び放電空気流入管路316は、各々熱交換機(332、334、336)を含む。
噴射空気流入管路314の熱交換機334は、コイル形状に形成されて排気管40内での吸熱面積を増大させ、噴射空気流入管路314に供給される噴射空気を加熱する。
放電空気流入管路316の熱交換機336は、コイル形状に形成されて排気管40内での吸熱面積を増大させ、放電空気流入管路316に供給される燃料を加熱する。
熱交換機(332、334、336)は、燃料流入管路312、噴射空気流入管路314及び放電空気流入管路316に全て設置することができるが(図20参照)、そのうちの1ヶ所または2ヶ所に形成してもよい(図示せず)。
本実施例による煤煙濾過装置は、燃料と噴射空気、及び、放電空気をプラズマバーナ400にそれぞれ供給する燃料流入管路412、噴射空気流入管路414及び放電空気流入管路416を有する。
また、プラズマバーナ400内に燃料を供給する燃料流入管路412及び噴射空気流入口424は、電極450の内部に直接燃料を噴射するインジェクター(図示せず)で代替できる。
排気ガス流入口494は、放電空気流入管路416に供給される空気の量を減らすことができ、混合チャンバー442内の混合気体をより高温に維持できるようにする。
図22及び図23を参照すれば、プラズマバーナ400は、ベース440、電極450及び反応炉460を有する。
ベース440の燃料流入口422と噴射空気流入口424からそれぞれ流入する燃料及び空気は、吸熱チャンバー456に流入して混合気体状態で混合され、加熱される。絶縁体452は、電極450をベース440または反応炉460と電気的に絶縁させる。
装着部454は、2重管による2重通路を形成し、内側に形成される第1通路454aと、第1通路454aの外側に形成される第2通路454bを含む。第1通路454aには噴射空気流入管路414が結合されている。第2通路454bには吸熱チャンバー456と混合チャンバー442が連結される。
混合チャンバー442には放電空気流入管路416及び排気ガス流入口494が連結される。放電空気流入管路416及び排気ガス流入口494にそれぞれ供給される放電空気及び排気ガスは、混合チャンバー442内の混合気体を混合気噴射口466を介して反応炉460内部に噴射する。
燃料及び空気と排気ガスの混合気体でのプラズマ放電は、燃焼または水素と一酸化炭素を含む先酸化物質に一部改質して、酸化触媒60で酸化を容易にする。
本実施例による煤煙濾過装置は、燃料をプラズマバーナ500に供給するための燃料タンク30とプラズマバーナ500を連結する燃料流入管503を有する。
図25及び図26を参照すれば、プラズマバーナ500は、反応炉510、電極520及びガイド部材540を有する。
電極520は、反応炉510の内部に設置され、プラズマ放電を発生するように電極520の外面と反応炉510の内面が間隔C10を形成する。
反応炉510は、予熱通路531、燃料流入口532、排気ガス流入口533及び火炎噴出口534を形成する。このために、反応炉510は、外側シリンダー511と内側シリンダー512を有して形成される。
予熱通路531は、燃料流入管503と燃料流入口532を互いに連結し、燃料タンク30から供給される燃料を予熱する。予熱通路531は、反応炉510で排気ガス流れの反対方向に形成され、燃料の経路を長く形成することによって燃料の予熱効率を増大させる。
即ち、燃料を火炎噴出口534側から排気ガス流入口533側に供給するように、予熱通路531は、火炎噴出口534側から排気ガス流入口533側に向かって進行する螺旋状構造に形成される。燃料流入管503は、酸化触媒60側に連結され、燃料流入口532はエンジン20側に連結される。
排気ガス流入口533は、排気管40内の排気ガスの一部をプラズマバーナ500内部に流入させて、燃料流入口532を介して反応炉510内部に流入する燃料と排気ガスを混合する。
排気ガス流入口533は、燃料と排気ガスの混合気体を反応炉510と電極520の間に誘導するように、反応炉510のエンジン20側に形成される。即ち、排気ガス流入口533は、反応炉510の内側シリンダー512と電極520の間に形成されて排気ガスを流入させる。
燃料流入口532は円錐台内面512a側に形成され、予熱通路531を反応炉510と電極520の間に連結する。これによって燃料流入口532に流入する燃料が排気ガス流入口533を経由して排気ガスと混合される。
また、排気ガス流入口533側にはガイド部材540が具備される。ガイド部材540は、排気ガス流入口533の直径より大きい直径に拡張形成され、排気管40内の排気ガスを排気ガス流入口533に誘導する。ガイド部材540は、燃料流入口533に流入する単位燃料に対して、より多くの排気ガスを混合できるようにする。
連結具543は第1結合部541と第2結合部542の間の空間に形成され、排気ガス流入口533を排気管40内部に連結する。
第1間隔C11は排気ガス流入口533側に形成される。間隔C10は、第1間隔C11から火炎噴出口534側に行くほど第1間隔C11より狭くなるように次第に縮小される。
第2間隔C12は円錐台内面512aに形成され、最小の大きさを形成する。間隔C10は、第2間隔C12から火炎噴出口534側に行くほど第1間隔C11より広くなるように次第に拡大する。
第3間隔C13は火炎噴出口534側に形成され、最大の大きさを形成する。
図27を参照すれば、排気ガス流入口533に流入する排気ガスは燃料流入口532に流入する燃料と混合され、この混合気体は反応炉510の内側シリンダー512と電極520の間に供給される。
即ち、電極520と反応炉510の間でのプラズマ放電は、電極520と反応炉510の間の間隔C10が最も狭い部分(第2間隔C12)で発生して、距離が広い部分(第3間隔C13)に行くほど次第に拡散した後消滅し、再び狭い部分(第2間隔C12)で発生して広い部分(第3間隔C13)に行くほど次第に拡散した後消滅する過程を反復的に行う。
図28及び図29を参照すれば、ガイド部材550は内面にベイン544をさらに有する。ベイン544は、ガイド部材550の内面に複数に形成され、排気管40内からガイド部材550に流入する排気ガスにスワール流動を発生させる。
これにより、ガイド部材550のベイン544を経由した排気ガスは、スワール流動を発生させながら反応炉510と電極520の間に供給される。この際、スワール流動抵抗を最少化するために連結具553を最大に大きく形成する。図29で連結具553はガイド部材550の曲率に沿って長く形成される。
スワール流動の排気ガスは、反応炉510と電極520の間で燃料と効果的に混合される。
図30を参照すれば、プラズマバーナ500はノズル562をさらに含む。ノズル562は、反応炉510と電極520の間に直接燃料を噴射するように反応炉510に設置され、反応炉510と電極520の間に向かっている。
ノズル562は、予熱通路531及び燃料流入口532の構成に加えて構成されてもよく(図30参照)、予熱通路531及び燃料流入口532を構成しない状態で独自に構成することも可能である(図示せず)。
ノズル562から噴射される燃料は、反応炉510と電極520の間に供給される。ノズル562はガイド部材550の近くに位置するので、ガイド部材550によるスワール流動によって排気ガスとより効果的に混合される。
本実施例による煤煙濾過装置は、燃料と噴射空気及び放電空気をプラズマバーナ600にそれぞれ供給する燃料流入管路612、噴射空気流入管路614及び放電空気流入管路616を有する。
図32を参照すれば、プラズマバーナ600はベース640、電極650及び反応炉660を有する。
30:燃料タンク
40:排気管
80:フィルタ
500:プラズマバーナ
503:燃料流入管路
511:外側シリンダー
532:燃料流入口
534:火炎噴出口
520:電極
510:反応炉
512:内側シリンダー
531:予熱通路
533:排気ガス流入口
540:ガイド部材
544:ベイン
Claims (4)
- エンジンの反対側で排気管に連結されるフィルタと、
前記エンジンと前記フィルタの間で前記排気管内に設置され、燃料を供給する燃料流入口及びプラズマ放電による火炎を噴出する火炎噴出口を有し、排気ガスを加熱させるプラズマバーナと、
前記燃料流入口と燃料タンクを互いに連結する燃料流入管路を含み、
前記プラズマバーナは、
前記排気管の内部に設置される反応炉と、
前記反応炉の内壁と間隔を維持しながら前記反応炉の内部に設置される電極と、を含み、
前記電極と前記反応炉の内壁との間でプラズマ放電が起こるように構成され、
前記反応炉は、
前記燃料流入口を介して前記反応炉内部に流入する燃料を排気ガスと混合し、形成された混合気体を前記反応炉と前記電極の間に誘導するように前記反応炉の一側に形成され前記排気ガスを供給する排気ガス流入口を含み、
前記火炎噴出口は、前記反応炉の他の側に形成され前記混合気体のプラズマ放電による火炎を噴出するよう構成され、
前記排気ガス流入口側に配置され、前記排気ガス流入口の直径よりもさらに大きい直径に拡張形成され、前記排気ガス流入口に前記排気ガスを誘導するガイド部材をさらに含み、
前記ガイド部材は、流入する前記排気ガスにスワール流動を誘導するように内面に螺旋形に突出して設けられる複数のベインを有することを特徴とする煤煙濾過装置。 - 前記反応炉は、
前記排気管内に露出する外側シリンダーと、及び
前記外側シリンダーに内蔵されて前記外側シリンダーとの間に予熱通路を形成する内側シリンダーを含み、
前記排気ガス流入口側で前記内側シリンダーは、前記排気ガス流入口側に行くほど拡大開放される円錐台の内面を形成し、
前記予熱通路は前記燃料流入管に連結され供給される燃料を予熱することを特徴とする請求項1に記載の煤煙濾過装置。 - 前記燃料流入口は、前記円錐台の内面側に形成され、前記予熱通路を前記反応炉と前記電極の間に連結することを特徴とする請求項2に記載の煤煙濾過装置。
- 前記予熱通路は、前記火炎噴出口側から前記排気ガス流入口側に向かって進行する螺旋形構造に形成されることを特徴とする請求項2に記載の煤煙濾過装置。
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