WO2012104894A1

WO2012104894A1 - 排気ガス昇温用バーナー装置

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Publication number: WO2012104894A1
Application number: PCT/JP2011/000522
Authority: WO
Inventors: 英二岩崎
Original assignee: トヨタ自動車株式会社
Priority date: 2011-01-31
Filing date: 2011-01-31
Publication date: 2012-08-09
Also published as: JPWO2012104894A1; US9016051B2; US20130276437A1; CN103348108B; EP2672085A1; CN103348108A; JP5605441B2; EP2672085A4

Abstract

　排気管に設けられた排気処理装置の上流側に設けられ、排気ガス温度を昇温させるためのバーナー装置であって、排気管内に燃料を供給する燃料供給弁と、燃料供給弁から供給された燃料を着火させる着火手段と、排気管内に支持部材を介して保持されるバーナー触媒と、を含み、支持部材は、排気管に接触する外側円弧状部と、バーナー触媒の外周側部材に接触する内側円弧状部と、当該外側円弧状部と当該内側円弧状部とを繋ぐ連結部と、を有する断面波形に形成されている。

Description

排気ガス昇温用バーナー装置

　本発明はバーナー装置に係り、特に、内燃機関の排気ガス通路における排気処理装置の上流側に設けられ、排気ガスを昇温させるためのバーナー装置に関する。

　内燃機関の排気ガス通路において、排気処理装置（触媒等）の上流側にバーナー装置を設け、バーナー装置で生成された加熱ガスを利用して排気ガス温度を上昇させることによって、排気処理装置を処理可能な活性状態にする技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。

　この特許文献１に記載のバーナー装置は、排気処理装置よりも上流側に配置され、機関の排気ガス通路より小さな断面積を有して、排気ガスの一部が内部を流通する小型酸化触媒（以下、バーナー触媒と称する）と、排気ガス通路内の該バーナー触媒に向けて燃料を供給する燃料供給手段と、供給された燃料を着火し燃焼させる着火手段とを備えている。

特開２０１０－５９８８６号公報

　ところで、上記特許文献１に記載のバーナー装置においては、排気ガス通路より小さな断面積を有するバーナー触媒を、排気ガス通路を形成する排気管に保持させる構造として、放射状に延びる複数個の板状のステーを用いている。そして、この板状のステーの内径側の端部における軸方向の上下流端部領域をバーナー触媒の円筒状外枠の外側面に溶接し、外径側の端部における軸方向の上下流端部領域を排気管の内側面に溶接するようにしている。

　しかしながら、このように両端部が溶接された板状のステーを用いると、比較的低温の大気に曝されている排気管と高温の燃焼ガスに曝されるバーナー触媒及びその円筒状外枠（ケーシング）とでは熱膨張差が大きく、バーナー装置の軸方向のみならず径方向においてもこの熱膨張差を吸収するのが困難である。その結果、これら板状のステーとの溶接（連結）部において繰り返しの熱応力が発生しバーナー装置の耐久性が低下するおそれがある。

　また、この板状のステーの内径側の端部における軸方向の上下流端部領域をバーナー触媒の円筒状外枠の外側面に溶接することや、特に、外径側の端部における軸方向の上下流端部領域を排気管の内側面に溶接する作業工程は複雑で、製造し難く、量産には不向きである。

　そこで本発明は、かかる熱膨張差が存在するにもかかわらず、それを吸収しながら支持剛性を確保して耐久性を向上させることができると共に、溶接作業を含むとしても、比較的製造が容易で量産が可能な排気ガス昇温用のバーナー装置を提供することを目的とする。

　上記目的を達成するための本発明の一形態に係るバーナー装置は、排気管に設けられた排気処理装置の上流側に設けられ、排気ガス温度を昇温させるためのバーナー装置であって、前記排気管内に燃料を供給する燃料供給弁と、前記燃料供給弁から供給された燃料を着火させる着火手段と、前記排気管内に支持部材を介して保持されるバーナー触媒と、を含み、前記支持部材は、前記排気管に接触する外側円弧状部と、前記バーナー触媒の外周側部材に接触する内側円弧状部と、当該外側円弧状部と当該内側円弧状部とを繋ぐ連結部と、を有する断面波形に形成されていることを特徴とする。

　この形態によるバーナー装置によれば、燃料供給弁から供給された燃料が着火手段によって着火されたとき、その燃焼火炎が排気管内に支持部材を介して保持されているバーナー触媒を通ると共に、バーナー触媒と排気管との間の通路を通る。これにより、排気管とバーナー触媒及びその外周側部材との間で熱膨張差が発生したとしても、バーナー装置の軸方向及び径方向における熱膨張差は、断面波形に形成されている支持部材によって吸収されるので、バーナー装置におけるバーナー触媒の支持剛性を確保して耐久性を向上させることができる。

　ここで、上記本発明の一形態において、前記外側円弧状部と前記連結部、及び前記内側円弧状部と前記連結部が、前記排気管の軸線に直交する平面内でなす角は、それぞれ、鈍角であることが好ましい。この構成によれば、排気管とバーナー触媒及びその外周側部材との間での径方向の熱膨張差が発生したとき、連結部が挫屈することなく弾性変形し、熱応力を軽減することができる。

　また、上記本発明の一形態において、前記排気管と前記支持部材との間、及び前記支持部材と前記バーナー触媒の外周側部材との間に形成される通路は、それぞれ、前記排気管の軸線と平行ではなくねじられていることが好ましい。この構成によれば、前記排気管と前記バーナー触媒の外周側部材との間の通路を流れる火炎のバーナー触媒の下流での混合が促進されるので、温度が均一になり排気ガス温度の昇温効果が向上する。

　さらに、前記排気管は、その内周側に別体の環状の部材をさらに備え、当該環状の部材と前記排気管との間に緩衝マットが介挿されると共に、当該環状の部材に前記支持部材の外側円弧状部が接触していてもよい。この構成によれば、径方向の熱膨張差を確実に吸収できると共に、衝撃荷重をも吸収できる。

　また、上記本発明の一形態において、前記バーナー触媒の上流に一体に設けられ、前記燃料供給弁と前記着火手段と供給燃料を衝突させるための衝突板とが配置される開口が側面に形成された導入筒と、前記排気管と前記導入筒との間に設けられる追加の支持部材と、をさらに備え、前記追加の支持部材は、前記排気管に接触する外側円弧状部と、前記導入筒の外周側部材に接触する内側円弧状部と、当該外側円弧状部と当該内側円弧状部とを繋ぐ連結部と、を有する断面波形に形成されていてもよい。この構成によれば、バーナー触媒と該バーナー触媒の上流に一体に設けられた導入筒とが、それぞれ、断面波形に形成された支持部材と追加の支持部材とで支持されているので、排気管とバーナー触媒及びその外周側部材との間で熱膨張差が発生したとしても、バーナー装置の軸方向及び径方向における熱膨張差は、断面波形に形成されている支持部材によって吸収され、バーナー装置におけるバーナー触媒の支持剛性を確保して耐久性を向上させることができる。

　なお、前記追加の支持部材の前記外側円弧状部と前記連結部がなす角、及び前記内側円弧状部と前記連結部がなす角は、それぞれ、前記排気管の軸線に直交する平面内で鈍角であることが好ましい。

　さらに、前記追加の支持部材の外側円弧状部及び内側円弧状部は、前記排気管及び前記導入筒にそれぞれ溶接され、また、前記支持部材の内側円弧状部は、前記バーナー触媒の外周側部材に溶接されるが、外側円弧状部は前記排気管に溶接されずに軸方向に摺動可能であることが好ましい。この構成によれば、排気管とバーナー触媒及びその外周側部材、導入筒との間で熱膨張差が発生したとしても、支持部材の外側円弧状部は排気管に溶接されずに軸方向に摺動可能であるので、バーナー装置の径方向での支持剛性を確保しながら、軸方向における熱膨張差を完全に吸収することができる。

図１は、本発明に係るバーナー装置が用いられる内燃機関とその吸排気系を示す概略図である。図２は、本発明に係るバーナー装置の第１の実施形態を示す縦断面図である。図３は、図２のIII―III線に沿う断面図である。図４は、本発明に係るバーナー装置の第２の実施形態を示す断面図である。図５は、図４のＶ―Ｖ線に沿う断面図である。図６は、本発明に係るバーナー装置の支持部材の一例を示す斜視図である。図７は、本発明に係るバーナー装置の支持部材の他の例を示す斜視図である。図８は、本発明に係るバーナー装置の支持部材のさらに他の例を示す平面図である。図９は、本発明に係るバーナー装置の第３の実施形態を示す破断斜視図である。

　本発明の好適な実施形態について、以下に詳細に説明する。図１は、本発明に係る排気ガス昇温用のバーナー装置が用いられる、エンジン本体とその吸排気系を示す概略説明図である。

　エンジン本体１は、例えば、車載の直列４気筒４サイクルディーゼルエンジンである。エンジン本体１には、吸気管２および排気管３が接続され、吸気管２の途中には、吸気管２内を流通する吸気の流量に応じた信号を出力するエアフローメータ４が設けられている。このエアフローメータ４により、エンジン本体１に単位時間当たりに流入する吸入空気量（すなわち吸気流量）が検出される。なお、エンジン本体１は複数の気筒を有し、各気筒には筒内燃料噴射弁５が設けられているが、図１では単一の筒内燃料噴射弁５のみを示している。

　排気管３の終端は、図示しない消音器に接続され、消音器の出口で大気に開放されている。排気管３の途中には、酸化触媒コンバータ６及びＮＯｘ触媒コンバータ７が、上流側からこの順番で直列に配置されている。

　酸化触媒コンバータ６は、ＨＣ、ＣＯなどの未燃成分をＯ₂と反応させてＣＯ、ＣＯ₂、Ｈ₂Ｏ等とする。触媒物質としては、例えばＰｔ／ＣｅＯ₂、Ｍｎ／ＣｅＯ₂、Ｆｅ／ＣｅＯ₂、Ｎｉ／ＣｅＯ₂、Ｃｕ／ＣｅＯ₂等を用いることができる。

　ＮＯｘ触媒コンバータ７は、好ましくは、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒コンバータ（NSR: NOx Storage Reduction）からなる。ＮＯｘ触媒コンバータ７は、流入する排気ガスの酸素濃度が高いときは排気ガス中のＮＯｘを吸蔵し、流入する排気ガスの酸素濃度が低下し且つ還元成分（例えば、燃料等）が存在するときは吸蔵していたＮＯｘを還元する機能を有する。ＮＯｘ触媒コンバータ７は、アルミナＡｌ₂Ｏ₃等の酸化物からなる基材表面に、触媒成分としての白金Ｐｔのような貴金属と、ＮＯｘ吸収成分とが担持されて構成されている。ＮＯｘ吸収成分は、例えばカリウムＫ、ナトリウムＮａ，リチウムＬｉ、セシウムＣｓのようなアルカリ金属、バリウムＢａ、カルシウムＣａのようなアルカリ土類、ランタンＬａ、イットリウムＹのような希土類から選ばれた少なくとも一つから成る。なお、ＮＯｘ触媒コンバータ７は選択還元型ＮＯｘ触媒コンバータ（SCR: Selective Catalytic Reduction）であってもよい。

　これら酸化触媒コンバータ６およびＮＯｘ触媒コンバータ７に加えて、排気ガス中の煤等の微粒子（ＰＭ、パティキュレート）を捕集するパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）が設けられてもよい。好ましくは、ＤＰＦは、貴金属からなる触媒が担持され、捕集した微粒子を連続的に酸化燃焼する連続再生式のものである。好ましくは、ＤＰＦは、少なくとも酸化触媒コンバータ６の下流側であって、且つＮＯｘ触媒コンバータ７の上流側若しくは下流側に配置される。なお火花点火式内燃機関（ガソリンエンジン）の場合、排気ガス通路に三元触媒が設けられるのが好ましい。これら酸化触媒コンバータ６、ＮＯｘ触媒コンバータ７、ＤＰＦおよび三元触媒が、本発明の排気処理装置に該当する。

　排気管３における酸化触媒コンバータ６の上流側には、本発明に係る排気ガス昇温用のバーナー装置１００が配置されている。バーナー装置１００は、燃料供給弁１１０と、着火手段あるいは着火装置としてのグロープラグ１２０とを含む。また本実施形態のバーナー装置１００は、後述のように、バーナー触媒１３０と衝突板１４０をも含む。バーナー装置１００は、エンジン本体１に接続された排気マニホールド（不図示）の集合部よりも下流側に配置されている。

　なお排気マニホールドの集合部の下流側にターボチャージャが設けられてもよい。この場合、バーナー装置１００は、ターボチャージャ（不図示）の下流側で且つ酸化触媒コンバータ６の上流側に設けるのが好ましい。

　さらに、図１に示すように、エンジン本体１の運転状態や運転者の要求等に応じて各種デバイスを制御するための電子制御ユニット（以下、ＥＣＵという）１０が併設されている。このＥＣＵ１０は、エンジン制御に係る各種演算処理を実行するＣＰＵ、その制御に必要なプログラムやデータを記憶するＲＯＭ、ＣＰＵの演算結果等を一時記憶するＲＡＭ、外部との間で信号を入・出力するための入・出力ポート等を備えて構成される。

　ＥＣＵ１０には、上述したエアフローメータ４の他、エンジン本体１のクランク角を検出するクランク角センサ１１、アクセル開度に応じた電気信号を出力するアクセル開度センサ１２を含む各種センサ類が、電気配線を介して接続され、これらの出力信号がＥＣＵ１０に入力される。またＥＣＵ１０には、筒内燃料噴射弁５、燃料供給弁１１０、及びグロープラグ１２０を含む各種デバイスが電気配線を介して接続され、これらがＥＣＵ１０によって制御される。ＥＣＵ１０は、エアフローメータ４の出力値に基づいて吸入空気量を検出し、クランク角センサ１１の出力値に基づいて機関回転数を検出し、アクセル開度センサ１２の出力値に基づいてエンジン本体１への要求負荷を検出することができる。

　本実施形態では、バーナー装置１００を用いた昇温制御を実施する際に、ＥＣＵ１０が燃料供給弁１１０およびグロープラグ１２０を作動させる。すなわち、ＥＣＵ１０は、燃料供給弁１１０を適宜開弁駆動（オン）し、燃料供給弁１１０から適宜燃料を噴射させる。またＥＣＵ１０は、グロープラグ１２０を適宜通電して十分な高温とする。

　次に、図２および図３を参照して、バーナー装置１００の第１の実施形態を説明する。この第１の実施形態のバーナー装置１００は、基本的に、排気管３０内に液体の燃料（例えば、軽油）Ｆを供給ないしは噴射する燃料供給弁１１０、燃料供給弁１１０から供給された燃料を着火させて火炎を生じさせるグロープラグ１２０、燃料供給弁１１０から供給された燃料を酸化し、改質するためのバーナー触媒１３０を備えている。そして、必要に応じて、供給された燃料をグロープラグ１２０に向けて反射させ、着火を促進させるための衝突板１４０を備えている。また、バーナー装置１００は、図１に示した排気系に用いられる排気管３と同径の排気管３０と、その両端に設けられたフランジ３０Aとを備え、排気管３に設けられたフランジに接続されて使用される。なお、図２に黒矢印で排気ガスの流れ方向を示す。図示の燃料供給弁１１０は単一の噴孔１１０ａを有しているが、噴孔は複数であってもよい。

　燃料供給弁１１０は、排気管３０の外面部に取り付けられた弁取付ボス１１１に対し、排気管３０の軸方向と直交して挿入されて固定されている。弁取付ボス１１１の内部には、燃料供給弁１１０の内部の燃料を冷却するための冷却水が流通される冷却水通路１１２が画成されている。排気管３０には、燃料供給弁１１０から噴射された燃料を通過させるための弁穴３１が設けられている。

　グロープラグ１２０は、その先端部の発熱部１２０ａが、燃料供給弁１１０よりもやや下流側で且つバーナー触媒１３０よりも上流側に位置するように設置されている。グロープラグ１２０は、図示しない昇圧回路を経て車載の直流電源に接続されており、通電された際に発熱部１２０ａが発熱する。発熱部１２０ａで発生した熱により、燃料供給弁１１０から供給された燃料を着火させて火炎を生じさせる。

　グロープラグ１２０は、図３から最もよく分かるように、排気管３０の外面部に取り付けられたプラグ取付ボス１１４に、排気管３０の軸方向および燃料供給弁１１０の軸方向に直交して挿入されて固定され、排気管３０の穴を通じて排気管３０内に突出されている。プラグ取付ボス１１４の内部にも、冷却水が流通される冷却水通路（不図示）が画成されていてもよい。

　衝突板１４０も、プラグ取付ボス１１４に挿入されて固定され、排気管３０の穴を通じて排気管３０内に突出されている。衝突板１４０は、ＳＵＳなどの耐熱性及び耐衝撃性に優れた材料から形成することができる。本実施形態の衝突板１４０は長方形とされている。

　さらに、燃料供給弁１１０から所定距離離れた下流側には、燃料供給弁１１０から供給された燃料を酸化し、改質するためのバーナー触媒１３０が設けられ、このバーナー触媒１３０は、後述のように、排気管３０内に支持部材１５０を介して保持されている。

　燃料Ｆがバーナー触媒１３０に供給されると、そのときバーナー触媒１３０が活性化していれば、バーナー触媒１３０内で燃料が酸化される。このとき発生する酸化反応熱によって、バーナー触媒１３０が昇温される。よってバーナー触媒１３０を通過する排気ガスを昇温させることができる。また、バーナー触媒１３０の温度が高くなると、燃料中の炭素数の多い炭化水素が分解して、炭素数が少なく反応性の高い炭化水素が生成され、これによって燃料が反応性の高い燃料に改質される。換言すれば、バーナー触媒１３０は、一方では急速に発熱する急速発熱器を構成し、他方では、改質された燃料を排出する改質燃料排出器を構成する。

　バーナー触媒１３０は、排気管３０内の排気ガス通路の断面積の一部を占めるように構成されている。本実施形態の場合、図３に示すように、排気管３０およびバーナー触媒１３０はともに断面円形で、排気管３０の内径よりもバーナー触媒１３０の外径が小さくされ、互いに同軸に配置されている。バーナー触媒１３０は、触媒を担持した基体を内部に保持する、外周側部材として、ＳＵＳなどの耐熱金属製の円筒状ケーシング１３０ａを含んでおり、このケーシング１３０ａが、後述する支持部材１５０によって排気管３０内に支持されている。なお、バーナー触媒１３０の基体には複数の独立セルによって触媒内通路１３０ｂが形成され、ケーシング１３０ａの外周側と排気管３０の間には円環状の触媒迂回通路１３０ｃが形成されている。

　ここで、本発明で用いられるバーナー触媒１３０としては、上述の円筒状ケーシング１３０ａの内部に保持される基体が金属製の基体である型式や、セラミック製の基体である型式が用いられてもよい。

　金属製の基体である型式の場合には、例えば、金属薄肉平板と金属薄肉波形板とを積層して、これらを円柱状に巻いてロー付けを施した基体を有している。この基体の表面上には、例えばアルミナからなる触媒担体層が形成されている。そして、この触媒担体層上に、白金Pt、ロジウムRd、パラジウムPdのような貴金属触媒が担持されている。

　他方、セラミック製の基体である型式では、この基体が、例えばゼオライトやコージュライトなどから例えばハニカム構造に形成され、これらに上述の貴金属触媒が担持されて構成される。これらのバーナー触媒１３０は、いずれも、上流端から下流端に直線的に延びた複数の独立セルを有する所謂ストレートフロー型である。

　次に、上述の支持部材１５０について、図３及び図６を参照して説明する。本実施の形態における支持部材１５０は、一枚の矩形状平板からプレス成形により、排気管３０の内周に沿って接触する外側円弧状部１５０aと、バーナー触媒１３０の外周側部材である円筒状ケーシング１３０ａの外周に沿って接触する内側円弧状部１５０ｂと、これらの外側円弧状部１５０aと内側円弧状部１５０ｂとを繋ぐ連結部１５０ｃとを有する断面波形に形成されている。そして、外側円弧状部１５０aとその両側の連結部１５０ｃ、及び内側円弧状部１５０ｂとその両側の連結部１５０ｃが、排気管３０の軸線に直交する平面内でなす角αは、熱膨張時における連結部１５０ｃの挫屈を防止するために、それぞれ、鈍角（例えば、１２０°）に設定されている。

　そして、本実施の形態における支持部材１５０は、それぞれが３つの山（凸）部を有する上半分及び下半分の支持部材１５０に二分割されて形成されている（図６には、上半分の支持部材１５０のみを示す）。但し、支持部材１５０は分割することなく一体的に環状に形成されてもよい。

　上述のバーナー装置１００の第１の実施形態においては、以下のようにしてバーナー触媒１３０が排気管３０に組み付けられる。すなわち、バーナー触媒１３０の円筒状ケーシング１３０ａの軸方向略中央に、所定の軸方向幅を有する内側円弧状部１５０ｂの略幅方向中心に貫通穴（最終製品には表れないので、図６に便宜的に１５０ｄとして示す）が設けられた支持部材１５０の上半分又は下半分の一方が位置付けられる。そして、該貫通穴１５０ｄに対してプラグ溶接が行われ、支持部材１５０の上半分又は下半分の一方が円筒状ケーシング１３０ａに固着される。さらに、支持部材１５０の上半分又は下半分の他方が円筒状ケーシング１３０ａに位置付られ、同様にプラグ溶接が行われる。このようにして、支持部材１５０がバーナー触媒１３０の円筒状ケーシング１３０ａの軸方向略中央に固着される。なお、プラグ溶接用の貫通穴１５０ｄは、支持部材１５０とバーナー触媒１３０の円筒状ケーシング１３０ａとのプラグ溶接のみのためのものであるから、支持部材１５０と円筒状ケーシング１３０ａとの溶接強度が確保される限り、内側円弧状部１５０ｂの全てではなく、その少なくとも１つに設けられればよい（図６参照）。そして、支持部材１５０が固着されたバーナー触媒１３０は、図２において右側のフランジ３０Aが設けられている開口部から排気管３０内に挿入され、支持部材１５０の外側円弧状部１５０aと排気管３０の内周面との摩擦接触によって、所定位置に保持されることになる。

　上記のバーナー装置１００の第１の実施形態において、燃料供給弁１１０から供給された燃料がグロープラグ１２０によって着火されたとき、その燃焼火炎は、支持部材１５０を介して保持されているバーナー触媒１３０内の触媒内通路１３０ｂを通ると共に、バーナー触媒１３０と排気管３０との間の触媒迂回通路１３０ｃを通る。これにより、排気管３０やバーナー触媒１３０などが加熱され、熱膨張する。そこで、排気管３０とバーナー触媒１３０及びその外周側部材である円筒状ケーシング１３０ａとの間で熱膨張差が発生したとしても、バーナー装置１００の軸方向及び径方向における熱膨張差は、断面波形に形成されている支持部材１５０によって吸収されるので、バーナー装置１００におけるバーナー触媒１３０の支持剛性が確保されると共に、熱応力の発生が防止され耐久性を向上させることができる。

　すなわち、バーナー装置１００の径方向においては、支持部材１５０の外側円弧状部１５０aと連結部１５０ｃ、及び内側円弧状部１５０ｂと連結部１５０ｃが、排気管３０の軸線に直交する平面内でなす角αは、それぞれ、鈍角であるので、排気管３０とバーナー触媒１３０の円筒状ケーシング１３０ａとの間での径方向の熱膨張差が発生したとしても、連結部１５０ｃは挫屈することなく弾性変形し、熱応力を軽減することができる。

　また、バーナー装置１００の軸方向においては、バーナー触媒１３０の円筒状ケーシング１３０ａが軸方向に熱膨張したとしても、このケーシング１３０ａは、その軸方向中央において支持部材１５０に支持されているので、軸方向に自由に熱膨張することができる。したがって、円筒状ケーシング１３０ａに大きな熱応力が発生することが防止される。特に、少なくとも１つの内側円弧状部１５０ｂに設けられた貫通穴１５０ｄを用いるプラグ溶接によって、支持部材１５０をバーナー触媒１３０の円筒状ケーシング１３０ａに固着するようにした上述の形態によれば、支持部材１５０と円筒状ケーシング１３０ａとを連結する部位が貫通穴１５０ｄの大きさのみに制限される。したがって、支持部材１５０と円筒状ケーシング１３０ａとの間で軸方向における熱膨張差があったとしても、支持部材１５０及び円筒状ケーシング１３０ａのいずれにも大きな熱応力が発生することが防止されるのである。また、プラグ溶接による上述の方法によれば、溶接箇所も少なく、短時間で可能であるので、溶接作業を含むとしても、比較的製造が容易で量産が可能である。

　また、上述のケーシング１３０ａの外周側と排気管３０の間の円環状の触媒迂回通路１３０ｃの軸方向における一部を形成することになる、排気管３０と支持部材１５０との間に形成される通路１３０ca（詳しくは、排気管３０と内側円弧状部１５０ｂと両連結部１５０ｃとに囲まれた部分）、及び支持部材１５０とバーナー触媒１３０の外周側部材であるケーシング１３０ａとの間に形成される通路１３０cb（詳しくは、ケーシング１３０ａと外側円弧状部１５０aと両連結部１５０ｃとに囲まれた部分）は、図２及び図３に示すように、排気管３０の軸線と平行である。しかしながら、上記通路１３０ca及び通路１３０cbがそれぞれ、排気管３０の軸線と平行ではなく螺旋状になるように、支持部材１５０がねじられて形成されてもよい。このために、例えば図８に示すように、断面波形の支持部材１５０の凹部の内側円弧状部１５０ｂは排気管の軸線と平行になるように形成される一方、凸部の外側円弧状部１５０aが排気管の軸線と平行ではなくねじられて形成されている。このようにすると、排気管３０とバーナー触媒１３０の外周側部材であるケーシング１３０ａとの間の通路１３０c（１３０ca、１３０cb）を流れる火炎のバーナー触媒１３０の下流での混合が促進されるので、温度が均一になり排気ガス温度の昇温効果が向上する。なお、上記通路１３０ca及び通路１３０cbがそれぞれ、螺旋状になるようにするためには、凸部の外側円弧状部１５０ａ及び凹部の内側円弧状部１５０ｂが共に、排気管の軸線と平行ではなくねじられて形成されてもよい。

　次に、本発明のバーナー装置１００の第２の実施形態について、図４及び図５を参照して説明する。この第２の実施形態は、上述の第１の実施形態に対して、バーナー触媒１３０への燃料の導入を促進するための導入筒と追加の支持部材とが追加されたことが異なるのみであるから、第１の実施形態と同一の構成要素については図中同一符号を付して重複説明を避ける。

　すなわち、第２の実施形態のバーナー装置１００は、バーナー触媒１３０の上流側にバーナー触媒１３０とほぼ同径の導入筒１６０をさらに含んでいる。この導入筒１６０は、その後端がバーナー触媒１３０のケーシング１３０ａの前端に嵌合されて一体に取り付けられ、ケーシング１３０ａから上流側に向けて延在している。導入筒１６０には、その軸方向中央の側面の上半部に断面略半円の開口１６０ａが形成され、その下半部が断面略半円の樋状部１６０ｂに形成されている。この開口１６０ａには、燃料供給弁１１０とグロープラグ１２０と供給燃料を衝突させるための衝突板１４０とが配置されている。そして、導入筒１６０は、バーナー触媒１３０のケーシング１３０ａが支持部材１５０によって排気管３０内に支持されているのと同様に、その前端において追加の支持部材１５０´によって排気管３０内に支持されている。導入筒１６０は、開口１６０ａを介して供給される供給燃料Ｆを下半部の樋状部１６０ｂで受け止め、排気ガスの流れも利用しつつ、供給燃料Ｆをバーナー触媒１３０に導入し、案内する。

　なお、追加の支持部材１５０´は、前述の支持部材１５０と同様に、排気管３０の内周に接触する外側円弧状部１５０´aと、導入筒１６０の外周に接触する内側円弧状部１５０´bと、外側円弧状部１５０´aと内側円弧状部１５０´bとを繋ぐ連結部１５０´cと、を有する断面波形に形成されている。

　また、追加の支持部材１５０´の外側円弧状部１５０´a及び内側円弧状部１５０´bは、排気管３０及び導入筒１６０にそれぞれプラグ溶接されている。そして、支持部材１５０の内側円弧状部１５０ｂは、バーナー触媒１３０のケーシング１３０ａにプラグ溶接されているが、しかし、支持部材１５０の外側円弧状部１５０aは排気管３０に溶接されずに軸方向に摺動可能とされている。

　上述のバーナー装置１００の第２の実施形態においては、以下のようにしてバーナー触媒１３０及びその上流側の導入筒１６０が排気管３０に組み付けられる。すなわち、一体に取り付けられている導入筒１６０を備えるバーナー触媒１３０のケーシング１３０ａに対して、上述の第１の実施形態において述べたように、支持部材１５０がその軸方向略中央にプラグ溶接によって固着される。ついで、導入筒１６０の前端の外周に、追加の支持部材１５０´の内側円弧状部１５０´bがプラグ溶接によって固着される。そして、支持部材１５０及び追加の支持部材１５０´が固着され、導入筒１６０と一体のバーナー触媒１３０が、図４において、例えば右側のフランジ３０Aが設けられている開口部から排気管３０内に挿入される。さらに、追加の支持部材１５０´の外側円弧状部１５０´aが排気管３０に対して、プラグ溶接によって固着される（なお、この場合、追加の支持部材１５０´の外側円弧状部１５０´aには、その少なくとも１つに不図示の貫通穴が設けられる）。なお、支持部材１５０の外側円弧状部１５０aと排気管３０との間は、溶接されず摩擦接触のままで軸方向に摺動可能である。

　上記のバーナー装置１００の第２の実施形態においては、燃料供給弁１１０が、導入筒１６０の開口１６０aを介して上方から導入筒１６０の樋状部１６０ｂの底面上に向けて、やや下流側に向かうよう斜め下向きに燃料Ｆを噴射する。噴射された燃料Ｆは所定の噴霧角を有する燃料経路を形成し、この燃料経路の途中に、グロープラグ１２０の発熱部１２０ａと衝突板１４０とが配置されている。衝突板１４０は、発熱部１２０ａに近接したやや下方の位置に配置されている。そしてグロープラグ１２０と衝突板１４０とは、排気管３０の上部側方から排気管３０内に挿入され、互いに平行に且つ水平方向に直線状に延在されている。

　燃料供給弁１１０から供給された燃料がグロープラグ１２０によって着火されたとき、その燃焼火炎は、導入筒１６０（特に、樋状部１６０ｂ）に案内されつつ、支持部材１５０を介して保持されているバーナー触媒１３０内の触媒内通路１３０ｂを通ると共に、バーナー触媒１３０と排気管３０との間の触媒迂回通路１３０ｃを通る。なお、燃料Ｆが衝突板１４０に衝突すると、燃料Ｆの微粒化、霧化が促進され、分散性、拡散性が向上する。従ってグロープラグ１２０による着火が促進される。グロープラグ１２０は、バーナー触媒１３０の上方の触媒迂回通路１３０ｃとほぼ同じ高さに位置されており、着火によってできた火炎は、主にその上方の触媒迂回通路１３０ｃの中に向かって延びることとなる。

　他方、衝突板１４０を素通りして供給された燃料は、前述したように導入筒１６０の樋状部１６０ｂに案内された後、バーナー触媒１３０内で酸化、改質され、バーナー触媒１３０から排出される。この改質された燃料はその後、下流側の酸化触媒コンバータ６内で本格的に酸化、燃焼され、排気ガス温度の一層の昇温等に用いられる。

　ここで、第２の実施形態のバーナー装置１００においても、排気管３０やバーナー触媒１３０、導入筒１６０などが加熱され、熱膨張する。そこで、排気管３０と導入筒１６０及びこれに一体のバーナー触媒１３０の円筒状ケーシング１３０ａとの間で熱膨張差が発生したとしても、バーナー装置１００の軸方向及び径方向における熱膨張差は、断面波形に形成されている支持部材１５０及び追加の支持部材１５０´によって吸収される。すなわち、バーナー装置１００の径方向においては、第１の実施形態と同様に、鈍角αを有する波形の支持部材１５０及び追加の支持部材１５０´により、弾性的に支持されて吸収される。一方、バーナー装置１００の軸方向においては、導入筒１６０及びこれと一体のバーナー触媒１３０の円筒状ケーシング１３０ａが軸方向に熱膨張したとしても、導入筒１６０の前端は追加の支持部材１５０´によって排気管３０に対して固着されているのに対し、ケーシング１３０ａが固着されている支持部材１５０は排気管３０に固着されずに軸方向に摺動可能であるので、これによって、熱膨張差が吸収される。

　次に、本発明に係るバーナー装置の支持部材の変形例について、図７を参照して説明する。この変形例は、前述の支持部材１５０と基本的な本体部分において共通するが、その内側円弧状部１５０bに一体に短冊状部分１５０e（以下、この短冊状部分１５０eを備える支持部材を１５０Ｅと称す）が付加されている点で異なっている。この短冊状部分１５０eは、上述のバーナー触媒１３０の円筒状ケーシング１３０ａに対して支持部材１５０を溶接により固着させるに際し、溶接熱がバーナー触媒１３０に過剰に及ばないようにするためのものである。すなわち、短冊状部分１５０eの端部とバーナー触媒１３０の円筒状ケーシング１３０ａの端部との間に、I型グルーブ溶接を行うことにより、溶接熱がバーナー触媒１３０の内部に過剰に及ばないようにしている。この支持部材１５０Ｅは、特に、バーナー触媒１３０が前述のようにロー付けを施した金属製の基体である型式の場合に、ロー付け部にダメージを与えることが防止されるので、有効である。

　さらに、本発明の第３の実施形態について、図９を参照して説明する。この第３の実施形態は、上述の第２の実施形態に対して、排気管の内周側に別体の環状の部材と緩衝マットとが追加されたことが異なるのみであるから、異なる点を主に説明し、第２の実施形態と同一の構成要素については図中同一符号を付して重複説明を避ける。

　すなわち、排気管３０の内周側に別体の環状の部材１７０が設けられ、この環状の部材１７０と排気管３０との間に緩衝マット１８０が介挿されている。そして、当該環状の部材１７０に対して、前実施の形態と同様に、支持部材１５０Ｅを介してバーナー触媒１３０の円筒状ケーシング１３０ａが保持されている。すなわち、環状の部材１７０に対して、円筒状ケーシング１３０ａに対し内側円弧状部１５０ｂに一体の短冊状部分１５０eがI型グルーブ溶接されている支持部材１５０Ｅの外側円弧状部１５０aが、摩擦接触されている。換言すると、支持部材１５０Ｅの外側円弧状部１５０aは環状の部材１７０に固着されずに軸方向に摺動可能である。なお、この緩衝マット１８０としては、耐熱性に優れたアルミナ繊維から作られるマットであってもよい。

　この第３の実施形態によれば、軸方向の熱膨張差は、支持部材１５０Ｅの外側円弧状部１５０aが環状の部材１７０に固着されずに軸方向に摺動可能であるので、これによって吸収され、径方向の熱膨張差は、支持部材１５０Ｅに加えて緩衝マット１８０の変形によって確実に吸収されると共に、衝撃荷重をも吸収できる。

　３、３０　　　排気管
　１００　　　　バーナー装置
　１１０　　　　燃料供給弁
　１２０　　　　グロープラグ
　１３０　　　　バーナー触媒
　１３０a　　　円筒状ケーシング
　１３０b　　　触媒内通路
　１３０c　　　触媒迂回路
　１４０　　　衝突板
　１５０　　　支持部材
　１５０a　　　外側円弧状部
　１５０b　　　内側円弧状部
　１５０c　　　連結部
　１５０e　　　短冊状部分
　１５０´　　　追加の支持部材
　１６０　　　導入筒
　１６０a　　　開口
　１６０b　　　樋状部
　１７０　　　環状部材
　１８０　　　緩衝マット

Claims

　排気管に設けられた排気処理装置の上流側に設けられ、排気ガス温度を昇温させるためのバーナー装置であって、
　前記排気管内に燃料を供給する燃料供給弁と、前記燃料供給弁から供給された燃料を着火させる着火手段と、前記排気管内に支持部材を介して保持されるバーナー触媒と、を含み、
　前記支持部材は、前記排気管に接触する外側円弧状部と、前記バーナー触媒の外周側部材に接触する内側円弧状部と、当該外側円弧状部と当該内側円弧状部とを繋ぐ連結部と、を有する断面波形に形成されていることを特徴とするバーナー装置。
　前記外側円弧状部と前記連結部、及び前記内側円弧状部と前記連結部が、前記排気管の軸線に直交する平面内でなす角は、それぞれ、鈍角であることを特徴とする請求項１に記載のバーナー装置。
　前記排気管と前記支持部材との間、及び前記支持部材と前記バーナー触媒の外周側部材との間に形成される通路は、それぞれ、前記排気管の軸線と平行ではなくねじられていることを特徴とする請求項１又は２に記載のバーナー装置。
　前記排気管は、その内周側に別体の環状の部材をさらに備え、当該環状の部材と前記排気管との間に緩衝マットが介挿されると共に、当該環状の部材に前記支持部材の外側円弧状部が接触していることを特徴とする請求項１又は２に記載のバーナー装置。
　前記バーナー触媒の上流に一体に設けられ、前記燃料供給弁と前記着火手段と供給燃料を衝突させるための衝突板とが配置される開口が側面に形成された導入筒と、
　前記排気管と前記導入筒との間に設けられる追加の支持部材と、をさらに備え、
　前記追加の支持部材は、前記排気管に接触する外側円弧状部と、前記導入筒の外周側部材に接触する内側円弧状部と、当該外側円弧状部と当該内側円弧状部とを繋ぐ連結部と、を有する断面波形に形成されていることを特徴とする請求項１又は４に記載のバーナー装置。
　前記追加の支持部材の前記外側円弧状部と前記連結部がなす角、及び前記内側円弧状部と前記連結部がなす角は、それぞれ、前記排気管の軸線に直交する平面内で鈍角であることを特徴とする請求項５に記載のバーナー装置。
　前記追加の支持部材の外側円弧状部及び内側円弧状部は、前記排気管及び前記導入筒にそれぞれ溶接され、また、前記支持部材の内側円弧状部は、前記バーナー触媒の外周側部材に溶接されるが、外側円弧状部は前記排気管に溶接されずに軸方向に摺動可能であることを特徴とする請求項６に記載のバーナー装置。