JP5566134B2 - 排気ガス昇温用燃焼器 - Google Patents

Description

本発明は、排気ガス昇温用燃焼器に関するものである。

従来より、ディーゼルエンジンにおいては、排気ガスが流通する排気管の途中にパティキュレートフィルタを装備し、該パティキュレートフィルタを通して排気ガス中に含まれるパティキュレート（Particulate Matter：粒子状物質）を捕集するようにしており、この種のパティキュレートフィルタには、ＰｔやＰｄ等を活性種とする酸化触媒を一体的に担持させ、捕集済みパティキュレートを極力低い排気温度から自己燃焼させるようにしている。

ただし、排気温度の低い運転領域では、パティキュレートの処理量よりも捕集量が上まわってしまうので、このような低い排気温度での運転状態が続くと、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れがある。

このため、パティキュレートフィルタの前段に排気ガス昇温用燃焼器を設け、該排気ガス昇温用燃焼器によるバーナ燃焼により生じた排気ガスを昇温し、その高温の排気ガスをパティキュレートフィルタに導入することによりパティキュレートフィルタの触媒床温度を積極的に上げて捕集済みパティキュレートを燃やし尽くし、パティキュレートフィルタの再生化を図ることが従来より提案されている。

尚、このようにバーナを用いてパティキュレートフィルタ等を昇温する技術に関連する先行技術文献情報としては、例えば、下記の特許文献１や特許文献２等が既に存在している。

特開平５−８６８４５号公報 特開平６−１６７２１２号公報

しかしながら、排気ガス昇温用燃焼器が自動車の排気系に装備されている場合、自動車が加減速を繰り返すことで運転状態が大きく変化し、排気ガスの流量も大きく変動して排気ガス昇温用燃焼器が失火や不完全燃焼の虞れに晒され易いという問題があった。

本発明は上述の実情に鑑みてなしたもので、高い保炎性能を備えて失火や不完全燃焼を効果的に防ぎ得るようにした排気ガス昇温用燃焼器を提供することを目的とする。

本発明は、排気管の屈曲部に装備されてバーナ燃焼により排気ガスの昇温を図り得るようにした排気ガス昇温用燃焼器であって、前記排気管の屈曲部にて燃料を排気ガスの流れ方向下流側へ向けて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噴霧に着火する点火装置と、これら燃料噴射ノズル及び点火装置の周囲を前記燃料噴射ノズルを中心として同心状に取り囲む二重円筒型の保炎器とを備え、該保炎器の内筒と外筒との間を前記保炎器の先端側でトーラス状の閉塞板により塞ぐ一方、前記内筒と外筒との間に燃焼空気を導く燃焼空気導入ラインを前記保炎器の基端側から接続し、前記内筒の基端側の周面に全周に亘り複数の燃焼空気流入孔を穿設すると共に、該燃焼空気流入孔よりも先端側にずれた前記内筒の周面に燃焼空気を周方向から導き入れて前記内筒内に旋回流を形成し得るよう複数の周面フィンを前記内筒の半径方向内側に切り起こして形成し、前記閉塞板にも燃焼空気を周方向に吐出して前記内筒内から噴き出る火炎の周囲に旋回流を形成し得るよう複数の端面フィンを燃料の噴射方向に切り起こして形成し、しかも、前記周面フィンによる旋回流に対し、前記端面フィンによる旋回流を逆方向に形成し得るよう周面フィンと端面フィンとを周方向の逆向きに切り起こし、更に、前記保炎器の先端側に燃料の噴射方向に向け末広がりに拡径するミキサを備え且つ該ミキサのテーパ面に排気ガスを周方向から導き入れて前記ミキサ内に旋回流を形成し得るよう複数のテーパ面フィンを前記ミキサの半径方向内側に切り起こして形成したことを特徴とするものである。

而して、このように構成された排気ガス昇温用燃焼器では、排気ガスの流れに晒されない保炎器内で燃料噴射ノズルから噴射された燃料噴霧に対し点火装置により着火が成され、その火炎が保炎器の内筒内から噴き出して排気ガスと混合することで該排気ガスの昇温が図られることになるが、この際、保炎器の内筒と外筒との間に燃焼空気導入ラインから導入された燃焼空気が燃焼空気流入孔から内筒内の基端側に導入されることで着火時の酸素不足が確実に回避されると共に、周面フィンから内筒内に燃焼空気が導入されて旋回流が形成されることで燃料噴霧と燃焼空気との早期の混合が促される結果、燃料噴霧に対する着火の安定化が図られる。

更に、燃料噴射ノズルから噴射される燃料噴霧が、周面フィンによる旋回流に乗り螺旋状に渦を巻きながら拡がることで燃焼反応に必要な滞留時間が長くなり、しかも、その間に周囲の燃焼空気との良好な混合化が図られるので、前記燃料噴霧の燃焼性が高められて保炎性能が大幅に向上され、また、保炎器の内筒内から噴き出た火炎が排気ガスと混合する際に、その周囲に端面フィンによる旋回流が形成されることで燃焼空気が効果的に補われつつ排気ガスとの良好な混合化が図られるので、この端面フィンの旋回流によっても保炎性能が大幅に向上される。

更に、本発明においては、保炎器の先端側に燃料の噴射方向に向け末広がりに拡径するミキサを備え且つ該ミキサのテーパ面に排気ガスを周方向から導き入れて前記ミキサ内に旋回流を形成し得るよう複数のテーパ面フィンを前記ミキサの半径方向内側に切り起こして形成しているので、保炎器の内筒内から噴き出る火炎が、その側方から流れ込む排気ガスの流れに煽られることなく安定して拡がる一方、側方からの排気ガスは、ミキサのテーパ面フィンから導入されてミキサ内の火炎の周囲で旋回流を成し、ミキサ内の火炎との良好な混合が図られることになる。

また、本発明においては、端面フィンによる旋回流に対し、テーパ面フィンによる旋回流を順方向に形成し得るよう端面フィンとテーパ面フィンとを周方向の同じ向きに切り起こすことが好ましい。

また、本発明においては、燃焼空気流入孔と周面フィンと端面フィンの総開口面積に対し、端面フィンの開口面積を５０〜７０％として、残りの開口面積を燃焼空気流入孔及び周面フィンの開口面積に割り当てることが好ましく、特に燃焼空気流入孔の開口面積については、総開口面積に対し１０％を割り当てると良い。

尚、燃焼空気流入孔と周面フィンと端面フィンの総開口面積に対し、燃焼空気流入孔の開口面積を１０％とし、端面フィンの開口面積を５０〜７０％として、残りの開口面積を周面フィンの開口面積に割り当てた場合、周面フィンの内筒の周面に対する切り起こし角度は４０〜５５゜とすると良い。

上記した本発明の排気ガス昇温用燃焼器によれば、下記の如き種々の優れた効果を奏し得る。

（Ｉ）本発明の請求項１に係る発明によれば、燃焼空気流入孔から内筒内の基端側への燃焼空気の導入により着火時の酸素不足を確実に回避すると共に、周面フィンによる燃焼空気の旋回流で該燃焼空気と燃料噴霧との早期の混合を促すことができて燃料噴霧の着火の安定化を図ることができ、しかも、周面フィン及び端面フィンによる旋回流の生成により燃焼性を高めて保炎性能の大幅な向上を図ることができるので、失火や不完全燃焼を効果的に防ぎながら排気ガスの昇温を図ることができる。

（ＩＩ）本発明の請求項２に係る発明によれば、保炎器の内筒内から噴き出る火炎を排気ガスの流れに煽らせずに安定して拡げることができると共に、その排気ガスをミキサのテーパ面フィンから導入することでミキサ内の火炎との良好な混合を図ることができるので、排気ガスとの混合時における燃焼性の低下を著しく抑制して失火や不完全燃焼をより効果的に防ぐことができる。

（ＩＩＩ）本発明の請求項３〜７に係る発明によれば、より効果的に燃焼性を高めて失火や不完全燃焼を防ぐことができる。

本発明を実施する形態の一例を示す断面図である。 図１の保炎器の詳細を示す側面図である。 図２のＩＩＩ−ＩＩＩ方向の矢視図である。 図３の周面フィンと端面フィンの旋回流に関する説明図である。 図１のミキサの詳細を示す側面図である。 図５のＶＩ−ＶＩ方向の矢視図である。 周面フィンと端面フィンの旋回流の向きの違いによるリークＨＣ濃度の違いを表すグラフである。 周面フィンと端面フィンの旋回流の向きの違いによるリークＣＯ濃度の違いを表すグラフである。 端面フィンとテーパ面フィンの旋回流の向きの違いによるリークＨＣ濃度の違いを表すグラフである。 端面フィンの開口面積割合とリークＣＯ濃度との関係を表すグラフである。 周面フィンの切り起こし角度とリークＨＣ濃度との関係を表すグラフである。

以下本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。

図１は本発明を実施する形態の一例を示すもので、図１中における１は図示しないターボチャージャのタービンを経た排気ガス１を導く排気管２を示し、該排気管２のＬ字状に曲げられた屈曲部に、バーナ燃焼により排気ガス１の昇温を図り得る排気ガス昇温用燃焼器３が装備されている。

ここで、前記排気管２の屈曲部は、上流側からの排気管２に対し略直角に配置されて排気ガス１の流れ方向下流側に向かうケーシング４により構成され、該ケーシング４内に前記排気ガス昇温用燃焼器３が収容されており、前記ケーシング４と下流側の排気管２との間には、別のケーシング５に抱持されたパティキュレートフィルタ６が介装されている。

そして、前記排気ガス昇温用燃焼器３は、前記ケーシング４におけるパティキュレートフィルタ６と相対する側に、燃料を排気ガス１の流れ方向下流側へ向けて噴射する燃料噴射ノズル７と、該燃料噴射ノズル７の先端部から噴射される燃料噴霧に対し火花放電を相互間に起こして着火する一対の電極棒８，９（点火装置：図１中ではケーシング４の断面位相と異なる位相に配置されているため仮想線での図示としている）とが装備され、これら燃料噴射ノズル７及び電極棒８，９の周囲が二重円筒型の保炎器１０により前記燃料噴射ノズル７を中心として同心状に取り囲まれている。

前記保炎器１０の詳細は図２及び図３に示す通りであり、前記保炎器１０の内筒１１と外筒１２との間は、前記保炎器１０の先端側でトーラス状の閉塞板１３により塞がれ、前記保炎器１０の基端側には、図示しないターボチャージャのコンプレッサの出側から吸気の一部を抽気して前記保炎器１０の内筒１１と外筒１２との間に燃焼空気１４として導く燃焼空気導入ライン１５が接続されている。

更に、前記内筒１１の基端側の周面には、全周に亘り複数の燃焼空気流入孔１６が穿設されていると共に、該燃焼空気流入孔１６よりも先端側にずれた前記内筒１１の周面には、燃焼空気１４を周方向から導き入れて前記内筒１１内に旋回流を形成し得るよう複数の周面フィン１７が前記内筒１１の半径方向内側に切り起こして形成されている。

一方、前記閉塞板１３にも燃焼空気１４を周方向に吐出して前記内筒１１内から噴き出る火炎２１の周囲に旋回流を形成し得るよう複数の端面フィン１８が燃料の噴射方向に切り起こして形成されているが、図４に示す如く、前記周面フィン１７による旋回流に対し、端面フィン１８による旋回流を逆方向に形成し得るよう周面フィン１７と端面フィン１８とが周方向の逆向きに切り起こされるようにしてある。

また、本形態例においては、特に図５及び図６に詳細を示しているように、前記保炎器１０の先端側に、燃料の噴射方向に向け末広がりに拡径するミキサ１９が備えられており、該ミキサ１９のテーパ面に、排気ガス１を周方向から導き入れて前記ミキサ１９内に旋回流を形成し得るよう複数のテーパ面フィン２０が前記ミキサ１９の半径方向内側に切り起こして形成されているが、前記端面フィン１８による旋回流に対し、テーパ面フィン２０による旋回流を順方向に形成し得るよう端面フィン１８とテーパ面フィン２０とが周方向の同じ向きに切り起こされている。

而して、このように構成された排気ガス昇温用燃焼器３では、排気ガス１の流れに晒されない保炎器１０内で燃料噴射ノズル７から噴射された燃料噴霧に対し電極棒８，９の火花放電により着火が成され、その火炎２１が保炎器１０の内筒１１内から噴き出して排気ガス１と混合することで該排気ガス１の昇温が図られることになるが、この際、保炎器１０の内筒１１と外筒１２との間に燃焼空気導入ライン１５から導入された燃焼空気１４が燃焼空気流入孔１６から内筒１１内の基端側に導入されることで着火時の酸素不足が確実に回避されると共に、周面フィン１７から内筒１１内に燃焼空気１４が導入されて旋回流が形成されることで燃料噴霧と燃焼空気１４との早期の混合が促される結果、燃料噴霧に対する着火の安定化が図られる。

更に、燃料噴射ノズル７から噴射される燃料噴霧が、周面フィン１７による旋回流に乗り螺旋状に渦を巻きながら拡がることで燃焼反応に必要な滞留時間が長くなり、しかも、その間に周囲の燃焼空気１４との良好な混合化が図られるので、前記燃料噴霧の燃焼性が高められて保炎性能が大幅に向上され、また、保炎器１０の内筒１１内から噴き出た火炎２１が排気ガス１と混合する際に、その周囲に端面フィン１８による旋回流が形成されることで燃焼空気１４が効果的に補われつつ排気ガス１との良好な混合化が図られるので、この端面フィン１８の旋回流によっても保炎性能が大幅に向上される。

しかも、保炎器１０の先端側に燃料の噴射方向に向け末広がりに拡径するミキサ１９を備えているので、保炎器１０の内筒１１内から噴き出る火炎２１が、その側方から流れ込む排気ガス１の流れに煽られることなく安定して拡がる一方、側方からの排気ガス１は、ミキサ１９のテーパ面フィン２０から導入されてミキサ１９内の火炎２１の周囲で旋回流を成し、ミキサ１９内の火炎２１との良好な混合が図られることになる。

従って、上記形態例によれば、燃焼空気流入孔１６から内筒１１内の基端側への燃焼空気１４の導入により着火時の酸素不足を確実に回避すると共に、周面フィン１７による燃焼空気１４の旋回流で該燃焼空気１４と燃料噴霧との早期の混合を促すことができて燃料噴霧の着火の安定化を図ることができ、しかも、周面フィン１７及び端面フィン１８による旋回流の生成により燃焼性を高めて保炎性能の大幅な向上を図ることができるので、失火や不完全燃焼を効果的に防ぎながら排気ガス１の昇温を図ることができる。

また、保炎器１０の内筒１１内から噴き出る火炎２１を排気ガス１の流れに煽らせずに安定して拡げることができると共に、その排気ガス１をミキサ１９のテーパ面フィン２０から導入することでミキサ１９内の火炎２１との良好な混合を図ることができるので、排気ガス１との混合時における燃焼性の低下を著しく抑制して失火や不完全燃焼をより効果的に防ぐことができる。

しかも、本形態例においては、周面フィン１７による旋回流に対し、端面フィン１８による旋回流が逆方向に形成されるので、両方の旋回流を順方向とした場合と比較して、より効果的に燃焼性を高めて失火や不完全燃焼を防ぐことができる。

事実、本発明者らによる検証実験によれば、図７及び図８にグラフで示す如く、周面フィン１７による旋回流に対し、端面フィン１８による旋回流を逆方向に形成した場合の方が、両方の旋回流を順方向とした場合と比較して、リークＨＣ濃度もリークＣＯ濃度も少なくなり（燃焼性が低下した場合には未燃燃料分のＨＣや不完全燃料によるＣＯが増える）、燃焼状態が改善されていることが確認されており、この傾向はＡ／Ｆ（空燃比）を振っても変わらなかった。

更に、本形態例においては、端面フィン１８による旋回流に対し、テーパ面フィン２０による旋回流が順方向に形成されるので、両方の旋回流を逆方向とした場合と比較して、より効果的に燃焼性を高めて失火や不完全燃焼を防ぐことができる。

事実、本発明者らによる検証実験によれば、図９にグラフで示す如く、端面フィン１８による旋回流に対し、テーパ面フィン２０による旋回流を順方向に形成した場合の方が、両方の旋回流を逆方向とした場合と比較して、リークＣＯ濃度も少なくなり、燃焼状態が改善されていることが確認されており、この傾向はＡ／Ｆ（空燃比）を振っても変わらなかった。

また、燃焼空気流入孔１６と周面フィン１７と端面フィン１８の総開口面積に対し、端面フィン１８の開口面積を５０〜７０％として、残りの開口面積を燃焼空気流入孔１６及び周面フィン１７の開口面積に割り当てることが好ましく、このようにすれば、より効果的に燃焼性を高めて失火や不完全燃焼を防ぐことができる。

事実、本発明者らによる検証実験によれば、図１０にグラフで示す如く、端面フィン１８の開口面積を５０〜７０％とした時にリークＣＯ濃度が最も少なくなり、この範囲で顕著に燃焼状態が改善されることが確認されている。

特に燃焼空気流入孔１６の開口面積については、総開口面積に対し１０％を割り当てると良好であるが、このように燃焼空気流入孔１６の開口面積を前記総開口面積に対し１０％とし、端面フィン１８の開口面積を５０〜７０％として、残りの開口面積（２０〜４０％）を周面フィン１７の開口面積に割り当てた場合には、周面フィン１７の内筒１１の周面に対する切り起こし角度は４０〜５５゜とすると良く、このようにすれば、より効果的に燃焼性を高めて失火や不完全燃焼を防ぐことができる。

事実、本発明者らによる検証実験によれば、図１１にグラフで示す如く、周面フィン１７の内筒１１の周面に対する切り起こし角度は４０〜５５゜とした時にリークＨＣ濃度が最も少なくなり、この範囲で顕著に燃焼状態が改善されることが確認されている。

ここで、周面フィン１７の切り起こし角度について補足しておくと、この切り起こし角度とは、周面フィン１７の基端位置での周面に対する接線を基準として切り起こし角度を計測したものであり、図３中にθで示している角度のことを指している。

尚、本発明の排気ガス昇温用燃焼器は、上述の形態例にのみ限定されるものではなく、本文中ではパティキュレートフィルタの再生を行うための排気ガス昇温用燃焼器を例にして説明しているが、パティキュレートフィルタの再生に用いる以外に、各種の触媒を活性温度まで昇温させるために用いても良いこと、その他、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。

１ 排気ガス
２ 排気管
３ 排気ガス昇温用燃焼器
４ ケーシング（屈曲部）
７ 燃料噴射ノズル
８ 電極棒（点火装置）
９ 電極棒（点火装置）
１０ 保炎器
１１ 内筒
１２ 外筒
１３ 閉塞板
１４ 燃焼空気
１５ 燃焼空気導入ライン
１６ 燃焼空気流入孔
１７ 周面フィン
１８ 端面フィン
１９ ミキサ
２０ テーパ面フィン
２１ 火炎
θ 切り起こし角度

Claims (5)

1. 排気管の屈曲部に装備されてバーナ燃焼により排気ガスの昇温を図り得るようにした排気ガス昇温用燃焼器であって、前記排気管の屈曲部にて燃料を排気ガスの流れ方向下流側へ向けて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噴霧に着火する点火装置と、これら燃料噴射ノズル及び点火装置の周囲を前記燃料噴射ノズルを中心として同心状に取り囲む二重円筒型の保炎器とを備え、該保炎器の内筒と外筒との間を前記保炎器の先端側でトーラス状の閉塞板により塞ぐ一方、前記内筒と外筒との間に燃焼空気を導く燃焼空気導入ラインを前記保炎器の基端側から接続し、前記内筒の基端側の周面に全周に亘り複数の燃焼空気流入孔を穿設すると共に、該燃焼空気流入孔よりも先端側にずれた前記内筒の周面に燃焼空気を周方向から導き入れて前記内筒内に旋回流を形成し得るよう複数の周面フィンを前記内筒の半径方向内側に切り起こして形成し、前記閉塞板にも燃焼空気を周方向に吐出して前記内筒内から噴き出る火炎の周囲に旋回流を形成し得るよう複数の端面フィンを燃料の噴射方向に切り起こして形成し、しかも、前記周面フィンによる旋回流に対し、前記端面フィンによる旋回流を逆方向に形成し得るよう周面フィンと端面フィンとを周方向の逆向きに切り起こし、更に、前記保炎器の先端側に燃料の噴射方向に向け末広がりに拡径するミキサを備え且つ該ミキサのテーパ面に排気ガスを周方向から導き入れて前記ミキサ内に旋回流を形成し得るよう複数のテーパ面フィンを前記ミキサの半径方向内側に切り起こして形成したことを特徴とする排気ガス昇温用燃焼器。
2. 端面フィンによる旋回流に対し、テーパ面フィンによる旋回流を順方向に形成し得るよう端面フィンとテーパ面フィンとを周方向の同じ向きに切り起こしたことを特徴とする請求項１に記載の排気ガス昇温用燃焼器。
3. 燃焼空気流入孔と周面フィンと端面フィンの総開口面積に対し、端面フィンの開口面積を５０〜７０％として、残りの開口面積を燃焼空気流入孔及び周面フィンの開口面積に割り当てたことを特徴とする請求項１又は２に記載の排気ガス昇温用燃焼器。
4. 燃焼空気流入孔と周面フィンと端面フィンの総開口面積に対し、燃焼空気流入孔の開口面積を１０％とし、端面フィンの開口面積を５０〜７０％として、残りの開口面積を周面フィンの開口面積に割り当てたことを特徴とする請求項１又は２に記載の排気ガス昇温用燃焼器。
5. 周面フィンの内筒の周面に対する切り起こし角度を４０〜５５゜としたことを特徴とする請求項４に記載の排気ガス昇温用燃焼器。

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