JP6091770B2

JP6091770B2 - 排気浄化装置用バーナー

Info

Publication number: JP6091770B2
Application number: JP2012119898A
Authority: JP
Inventors: 一郎津曲; 亮澁谷
Original assignee: Hino Motors Ltd
Current assignee: Hino Motors Ltd
Priority date: 2012-05-25
Filing date: 2012-05-25
Publication date: 2017-03-08
Anticipated expiration: 2032-05-25
Also published as: JP2013245609A

Description

本開示の技術は、エンジンからの排気を浄化する排気浄化装置に適用され、該排気を昇温させる排気浄化装置用バーナーに関する。

従来から、ディーゼルエンジンの排気通路には、排気に含まれる微粒子（ＰＭ：ＰａｒｔｉｃｕｌａｔｅＭａｔｔｅｒ）を捕捉するディーゼルパティキュレートフィルター（ＤＰＦ：ＤｉｅｓｅｌＰａｒｔｉｃｕｌａｔｅＦｉｌｔｅｒ）が配設されている。こうしたＤＰＦにおいては、微粒子の捕捉機能を保持するために、該ＤＰＦの捕捉した微粒子を焼却する再生処理が行なわれる。

例えば、特許文献１の排気浄化装置用では、ＤＰＦの前段にバーナーが配設されており、このバーナーにより昇温された排気をＤＰＦに流入させることでＤＰＦの再生処理が行なわれている。バーナーでは、筒状をなす保炎器の内部空間である燃焼領域にエンジンの燃料と燃焼用空気とが導入され、これら燃料と燃焼用空気とによる混合気が生成される。そして、その混合気を着火により燃焼させた燃焼ガスが排気に混合されることで、ＤＰＦに流入する排気を昇温させている。

特表２０１０−５２７４２４号公報

ところで、特許文献１の排気浄化装置用バーナーは、保炎器の下流に保炎板を備えている。保炎板は、保炎器から離れた位置で該保炎器の噴出し口である先端開口部に対向し、ＤＰＦに向けて突出する半球面形状をなしている。保炎板の中心部は、保炎板の周縁部よりもＤＰＦ側に配置されており、保炎板の中心部に衝突した燃焼ガスは、保炎板の中心部から保炎板の側方へと流出する。

一方、保炎板の周縁部に衝突した燃焼ガスの一部は、保炎板の周縁部から保炎板の中心部に向かって流れ、保炎板の中心部から燃焼領域へと過度に逆流することが少なくない。こうした燃焼ガスの逆流は、燃焼中の混合気の失火の度合いを高める要因となる。

本開示の技術は、燃焼中の混合気の失火を抑えることの可能な排気浄化装置用バーナーを提供することを目的とする。

本開示における排気浄化装置用バーナーの一態様は、燃料と空気との混合気に着火する着火部と、前記着火部を囲う筒状の保炎器と、前記保炎器に固定され、前記保炎器の軸線方向にて前記着火部に対向する保炎板とを備え、前記保炎板は、前記保炎器の周壁に囲まれて前記着火部に対向する表面が前記着火部に向けて張り出す半球面形状を含み、前記保炎器の軸線方向にて前記着火部に対向する頂部と、前記頂部から放射状に延びて前記保炎器の周壁に直接固定された複数の固定部であって、互いに隣接する固定部の隙間によって第１噴出し口を形成する前記複数の固定部とを有し、前記第１噴出し口は、前記保炎器の
軸線方向に沿う方向からの平面視にて、前記保炎器の中心側における端部に、互いに隣接する前記固定部によって形成された角部を有し、前記保炎器の周壁には、複数の第２噴出し口が形成され、前記第２噴出し口の開口縁の少なくとも一部は、前記保炎器の軸線方向にて前記保炎器の前記表面における頂部よりも前記表面の周縁部側に配設されている。

本開示における排気浄化装置用バーナーの一態様によれば、保炎板に衝突した燃焼ガスは、保炎板の表面に案内されて保炎板の周縁部に向かって流れる。そのため、保炎板から着火部へと逆流する燃焼ガスの流れが生成されにくくなる。その結果、混合気の着火点に燃焼ガスが流入しにくくなることから、燃焼中の混合気の失火が抑えられる。

上記構成によれば、噴出し口が保炎板のみに形成されている場合に比べて、保炎板の表面に案内された燃焼ガスが保炎器から流出しやすくなる。その結果、保炎器の周壁付近においても燃焼ガスが逆流しにくくなる。

上記構成によれば、第２噴出し口の開口縁の少なくとも一部が保炎器の軸線方向にて保炎器の表面における頂部よりも表面における周縁部側に配設されている。そのため、第２噴出し口の開口縁が、保炎器の表面における頂部よりも着火部側に配設されている場合に比べて、保炎板の表面に案内された燃焼ガスが第２噴出し口から噴き出しやすくなる。すなわち、保炎板に衝突した燃焼ガスの流れが安定するため、燃焼ガスの過度な逆流を抑えることが可能な混合気の流量範囲が拡大される。

上記構成によれば、表面の頂部と着火部とが保炎器の軸線方向にて対向していることから、保炎板に衝突した燃焼ガスが着火点に流入すること、それが着火部の周囲の全体で抑えられる。その結果、燃焼中の混合気の失火がさらに抑えられる。

本開示における排気浄化装置用バーナーが搭載された排気浄化装置の概略構成を示す図。燃焼中の混合気が失火した頻度を相対的に示すグラフ。変形例における保炎板の平面構造を示す平面図。変形例における保炎板の平面構造を示す平面図。変形例における保炎板の平面構造を示す平面図。

以下、本開示における排気浄化装置用バーナーを具体化した一実施形態について、図１及び図２を参照して説明する。まず、排気浄化装置用バーナーが搭載される排気浄化装置の全体構成について、図１を参照して説明する。

図１に示されるように、ディーゼルエンジンの排気浄化装置１０は、エンジンからの排気が流れる排気管１１の下流側に配設されている。排気浄化装置１０は、互いに連結された筒状の上流側カバー１３Ａと下流側カバー１３Ｂとを備えている。上流側カバー１３Ａには、排気管１１が接続され、下流側カバー１３Ｂには、排気中に含まれる微粒子を吸着するディーゼルパティキュレートフィルター１２（以下、ＤＰＦ１２という。）が搭載されている。

上流側カバー１３Ａには、排気浄化装置用バーナー１５を構成する保炎器１６と、該保炎器１６の先端部を囲む筒状の縮流部１４が固定されている。排気管１１から上流側カバー１３Ａに流入した排気は、保炎器１６と上流側カバー１３Ａとの隙間、保炎器１６と縮流部１４との隙間を流れたのちＤＰＦ１２へと流入する。

ＤＰＦ１２は、例えば多孔質の炭化ケイ素で形成されたハニカム構造を有し、ハニカム構造を構成する柱体の内壁面に排気中の微粒子を捕捉する。そして、このＤＰＦ１２の前段には、該ＤＰＦ１２に流入する排気を昇温させることでＤＰＦ１２の再生処理を実行する排気浄化装置用バーナー１５が搭載されている。

排気浄化装置用バーナー１５の保炎器１６は、軸線方向Ａに沿って延びる有底の円筒形状をなしており、上流側カバー１３Ａによって先端側の周壁が取り囲まれている。保炎器１６は、該保炎器１６の底壁１７に周壁が固定されて該底壁１７よりも小径の小径部１８と、小径部１８の先端における周壁に連結されて保炎器１６を先端にかけて拡開させる拡開部１９と、拡開部１９の先端における周壁に連結された大径部２０とを備えている。また、保炎器１６は、底壁１７と大径部２０とに連結されて、小径部１８及び拡開部１９を囲む筒状の連結部２１を備えている。そして、保炎器１６には、小径部１８、拡開部１９、大径部２０、これらの周壁で囲まれる空間によって燃焼領域２２が形成され、小径部１８、拡開部１９、連結部２１、これらの周壁で囲まれる空間によって空気導入室２３が形成されている。

保炎器１６の底壁１７には、ターボチャージャーのコンプレッサーによって圧縮された状態で吸気管３０を流れる吸入空気の一部を燃焼用空気として空気導入室２３へ導く空気供給管３１が固定されている。空気供給管３１の途中には空気弁３２が取り付けられている。また、保炎器１６の小径部１８には、燃焼領域２２と空気導入室２３とを連通させる第１導入口２６が形成され、拡開部１９には、燃焼領域２２と空気導入室２３とを連通させる第２導入口２７が形成されている。すなわち、吸入空気の一部は、空気弁３２が開状態のとき、空気供給管３１、空気導入室２３、第１及び第２導入口２６，２７を通じて燃焼領域２２に燃焼用空気として流入する。

また、保炎器１６の底壁１７には、小径部１８の周壁との連結部分よりも内側に燃料噴射弁３６が固定されている。燃料噴射弁３６は、図示されないエンジンに燃料を供給するための燃料ポンプから燃料が供給される。燃料噴射弁３６は、噴射口の形成された先端部が燃焼領域２２に配設されており、燃焼領域２２に向けて燃料を噴射することで燃焼領域２２に霧状の燃料を供給する。

また、保炎器１６の底壁１７には、小径部１８の周壁との連結部分よりも内側に一対の点火プラグ３７が固定されている。点火プラグ３７は、その先端部である着火部３７ａが燃料噴射弁３６の先端部を取り囲むように配設されている。点火プラグ３７は、燃焼領域２２に火花を生じさせることで、燃料と燃焼用空気との混合気に対して着火点３８で着火する。これにより、燃焼領域２２には、燃焼中の混合気である火炎Ｆ及び燃焼後の混合気を含む燃焼ガスが生成される。

一方、保炎器１６の先端部には、保炎板４０が固定されている。保炎板４０は、着火部３７ａと加熱の対象であるＤＰＦ１２との間に配置され、保炎器１６の先端部から外部に流れるガスの流速が燃焼速度よりも速くならない程度に、燃焼領域２２に適度な逆流や渦流を形成する。保炎器１６の先端開口部を閉塞する円板状をなしており、該保炎板４０の周縁部４１が大径部２０の周壁に固定されている。保炎板４０は、該保炎板４０の表面４０ａが保炎器１６の底壁１７に向かって張り出す半球面形状をなしており、該保炎板４０の頂部４２が保炎器１６の軸線方向にて着火部３７ａに対向している。

また、保炎器１６の大径部２０には、保炎板４０との連結部分に隣接するように楕円形状の噴出し口４５（第２噴出し口）が複数形成されている。各噴出し口４５は、燃焼領域
２２にて生成された燃焼ガスが保炎器１６から排出される開口である。噴出し口４５は、大径部２０の周方向に沿って所定の間隔で形成されており、該開口の長軸方向が保炎器１６の軸線方向Ａに沿うように形成されている。また、各噴出し口４５の開口縁の少なくとも一部は、軸線方向Ａにて保炎板４０の頂部４２よりも保炎器１６の先端側に配置されている。本実施形態では、保炎板４０の頂部４２が、噴出し口４５における軸線方向Ａの中心よりも着火部３７ａ側に配置されている。

次に、上述した排気浄化装置用バーナーの作用について図１及び図２を参照して説明する。
図１に示されるように、上述した排気浄化装置用バーナー１５の保炎器１６には、保炎器１６の先端開口部を閉塞するとともに保炎器１６の底壁１７に向かって張り出す半球面形状の保炎板４０が固定されている。また、保炎器１６の大径部２０には、燃焼領域２２の燃焼ガスが噴き出す噴出し口４５が形成されている。排気管１１からの排気は、燃焼領域２２にて燃焼ガスが生成されているとき、噴出し口４５から噴き出した燃焼ガスと混合されることで昇温されたのちＤＰＦ１２に流入する。

燃焼領域２２にて生成される燃焼ガスのうちで保炎板４０に衝突する燃焼ガスは、保炎板４０の表面４０ａに案内されることで該保炎板４０の頂部４２から周縁部４１に向かって流れたのち、大径部２０の噴出し口４５から噴き出る。すなわち、保炎板４０が保炎器１６の底壁１７に向かって張り出す半球面形状をなしていることから、保炎板４０に衝突した燃焼ガスが該保炎板４０の頂部４２へと向かって流れにくくなる。その結果、保炎板４０に衝突した燃焼ガスが着火点３８及びその周辺に向かって燃焼領域２２を過度に逆流すること、それが抑えられることから、燃焼中の混合気の失火が抑えられる。しかも、着火部３７ａと保炎板４０の頂部４２とが保炎器１６の軸線方向Ａで対向していることから、燃焼ガスが着火点３８に向かって過度に逆流することがさらに抑えられる。

噴出し口４５から噴き出した燃焼ガスは、保炎器１６と縮流部１４との隙間を流れる排気と混合される。保炎器１６と縮流部１４との隙間を流れる排気は、縮流部１４に流入する前に比べて流速が高められていることから、噴出し口４５からの燃焼ガスとの混合が促進される。

また、噴出し口４５の開口縁の少なくとも一部が、軸線方向Ａにて保炎板４０の頂部４２よりも保炎板４０の周縁部４１側に形成されている。そのため、噴出し口４５が保炎板４０の頂部４２よりも着火部３７ａ側に形成されている場合に比べて、保炎器１６に案内された燃焼ガスが噴出し口４５から噴き出しやすくなる。その結果、保炎器１６の周壁付近を保炎器１６の底壁１７へと向かって燃焼ガスが過度に逆流しにくくなる。ここで、上記逆流した燃焼ガスが小径部１８内に流入すると、小径部１８内では、第１導入口２６からの燃焼用空気と上記逆流した燃焼ガスとの混合流体が流通する。そのため、小径部１８内への燃焼ガスの流入量が多くなると、小径部１８内における混合流体の流通量も多くなり、着火点３８付近における混合流体の流速が大きくなって燃焼中の混合気が失火する可能性が高まる。この点、上述した構成によれば、小径部１８への燃焼ガスの流入量が抑えられることから、燃焼中の混合気の失火がさらに抑えられる。

また、保炎板４０が保炎器１６の先端部に固定され、且つ噴出し口４５が保炎器１６と保炎板４０との連結部分に隣接するように形成されている。そして、噴出し口４５から噴き出した燃焼ガスは、排気管１１からの排気とともにＤＰＦ１２へ向かって流れる。そのため、保炎板４０の裏面４０ｂ側における周縁部４１付近には、噴出し口４５から噴き出した燃焼ガスを含む渦流が形成されやすくなる。そのため、燃焼ガスの火炎Ｆまでもが保炎器１６の噴出し口４５から噴き出しているときには、上記渦流に火炎Ｆが含まれることで燃焼ガスの火炎Ｆが保炎される。その結果、保炎器１６から噴き出した燃焼ガスに含まれる未燃燃料が燃焼されやすくなることから、所定の目標温度まで排気を昇温させるうえで必要とされる燃料が低減される。

また、保炎板４０との衝突によって、燃焼ガスに含まれている燃焼用空気と未燃燃料との混合が促進される。上述した排気浄化装置用バーナー１５において、保炎板４０は、保炎器１６の先端開口部を閉塞している。そのため、燃焼領域２２にて生成された燃焼ガスの全てが噴出し口４５から流出するとともに、保炎板４０にも噴出し口が形成されている場合に比べて保炎板４０に衝突する燃焼ガスが多くなる。その結果、燃焼用空気と未燃燃料との混合が促進されることでＤＰＦ１２に流入する未燃燃料が低減されることから、所定の目標温度まで排気を昇温させるうえで必要とされる燃焼がさらに低減される。

ここで、図２は、燃焼中の混合気が失火した頻度を相対的に示したグラフである。図２において、実施例の排気浄化装置用バーナーは、上述した排気浄化装置用バーナー１５である。一方、比較例の排気浄化装置用バーナーは、保炎板が、保炎器１６の底壁１７から遠ざかる方向に張り出した凹状をなしており、保炎器１６に固定されることなく該保炎器１６から所定の距離だけ離れた位置に配置されている。なお、保炎板の形状及び配置以外の条件、例えば燃焼噴射量や燃焼用空気量等の条件は同じである。

図２に示されるように、実施例の排気浄化装置用バーナー１５においては、比較例の排気浄化装置用バーナーに比べて、失火の頻度が著しく低減されることが確認された。すなわち、保炎板４０に衝突した燃焼ガスの過度な逆流が抑えられることで、燃焼中の混合気の失火が抑えられることが確認された。

以上説明したように、上記実施形態の排気浄化装置用バーナー１５によれば、以下に列挙する効果を得ることができる。
（１）保炎板４０が保炎器１６の底壁１７に向かって張り出す半球面形状をなしていることから、保炎板４０に衝突した燃焼ガスが着火点３８に向かって過度に逆流することが抑えられる。その結果、燃焼中の混合気の失火が抑えられる。

（２）しかも、着火部３７ａと保炎板４０の頂部４２とが保炎器１６の軸線方向Ａで対向していることから、上記（１）に記載の効果が着火部３７ａの周囲の全体で得られる。
（３）保炎器１６の周壁に噴出し口４５が形成されていることから、保炎板４０に案内された燃焼ガスが保炎器１６から流出しやすくなる。その結果、保炎器１６の周壁付近においても燃焼ガスの過度な逆流が抑えられて、燃焼中の混合気の失火がさらに抑えられる。

（４）噴出し口４５の開口縁の少なくとも一部が、保炎器１６の軸線方向Ａにおいて保炎板４０の頂部４２よりも保炎板４０の周縁部４１側に配置されている。その結果、燃焼ガスの流れの方向が表面４０ａの近傍で安定するため、上記（１）に記載の効果の得られる混合気の流量範囲が拡大される。

（５）保炎板４０が保炎器１６の先端開口部を閉塞していることから、燃焼ガスに含まれる未燃燃料が燃焼されやすくなる。その結果、排気の昇温に必要とされる燃料が低減される。

（６）保炎板４０が保炎器１６の先端部に固定され、且つ噴出し口４５が保炎器１６と保炎板４０との連結部分に隣接するように形成されていることから、燃焼ガスに含まれる未燃燃料が保炎器１６外で燃焼されやすくなる。その結果、排気の昇温に必要とされる燃料がさらに低減される。

なお、上記実施形態の排気浄化装置用バーナー１５は、以下のように適宜変更して実施することも可能である。
・保炎板は、着火部３７ａに対向する表面が着火部３７ａに向かって張り出す曲面形状状を含むかたちであればよい。

例えば、保炎板４０の頂部４２は、保炎器１６の軸線方向Ａにおいて着火部３７ａと対向しない位置に配置されてもよい。こうした構成であっても、保炎板４０に衝突した燃焼ガスの多くが該保炎板４０の周縁部４１へと案内されることから燃焼中の混合気の失火が抑えられることになる。

また、例えば、保炎板の表面は、着火部３７ａに向かって張り出す曲面形状をなす曲面部と、保炎器１６の周壁から曲面部に延びる鍔部を備えていてもよい。
・保炎板は、保炎器１６の先端開口部を閉塞する形状に限られるものではない。例えば、保炎器１６に固定される保炎板は、図３に示されるように、頂部５２から４つの固定部５３が等間隔で放射状に延びる保炎板５０であってもよい。また例えば、図４に示されるように、保炎器１６に固定される保炎板は、頂部５７から３つの固定部５８が等間隔で放射状に延びる保炎板５５であってもよい。また例えば、図５に示されるように、頂部６２から３つの固定部６３が等間隔で放射状に延びて、各角部にＲ面取りがなされた形状である保炎板６０であってもよい。こうした構成においては、互いに隣接する固定部の隙間によって第１噴出し口が形成され、該固定部の裏面において燃焼ガスの渦流が生成される。そのため、該第１噴出し口から燃焼ガスの火炎Ｆが噴き出すときには、該渦流によって燃焼ガスの火炎Ｆが保炎される。

また、上述した保炎板を備える排気浄化装置用バーナーにおいて、保炎器１６の周壁に噴出し口４５が形成される場合には、保炎板の固定部に案内された燃焼ガスが保炎器１６から流出しやすい位置に形成されることが好ましい。

・保炎器１６の周壁に噴出し口４５が形成される場合、該噴出し口４５の開口縁が、保炎器１６の底壁１７側に配設されてもよい。
・燃料噴射弁３６から噴射される燃料は、燃料ポンプではなく、コモンレールから供給されてもよい。また、燃料噴射弁３６のみに燃料を供給する燃料ポンプが搭載されてもよい。

・燃料供給部は、燃料を燃焼領域に噴射する燃料噴射弁３６に限らず、例えば予め気化させた燃料を燃焼領域２２に供給するものであってもよい。
・混合気への着火は、点火プラグに限らず、グローヒーター、レーザー点火装置、プラズマ点火装置で行なってもよい。また、これらのうちの１つで混合気への着火を行なってもよいし、これらのうちの２以上で混合気へ着火を行なってもよい。

・燃焼用空気は、吸気管３０を流れる吸入空気に限らず、ブレーキの空気タンクに接続された配管を流れる空気や、排気浄化装置用バーナー専用のブロワによって供給される空気であってもよい。

・排気浄化装置用バーナーの搭載されるエンジンは、ガソリンエンジンであってもよい。
・排気浄化装置用バーナーによる排気の昇温は、ＤＰＦ１２の再生処理に限らず、排気を浄化する触媒の昇温に用いられてもよい。

Ａ…軸線方向、Ｆ…火炎、１０…排気浄化装置、１１…排気管、１２…ディーゼルパティキュレートフィルター、１２…ＤＰＦ、１３Ａ…上流側カバー、１３Ｂ…下流側カバー、１４…縮流部、１５…排気浄化装置用バーナー、１６…保炎器、１７…底壁、１８…小径部、１９…拡開部、２０…大径部、２１…連結部、２２…燃焼領域、２３…空気導入室、２６…第１導入口、２７…第２導入口、３０…吸気管、３１…空気供給管、３２…空気弁、３６…燃料噴射弁、３７…点火プラグ、３７ａ…着火部、３８…着火点、４０…保炎板、４０ａ…表面、４０ｂ…裏面、４１…周縁部、４２…頂部、４５…噴出し口、５０，５５，６０…保炎板、５２，５７，６２…頂部、５３，５８，６３…固定部。

Claims

燃料と空気との混合気に着火する着火部と、
前記着火部を囲う筒状の保炎器と、
前記保炎器に固定され、前記保炎器の軸線方向にて前記着火部に対向する保炎板とを備え、
前記保炎板は、前記保炎器の周壁に囲まれて前記着火部に対向する表面が前記着火部に向けて張り出す半球面形状を含み、
前記保炎器の軸線方向にて前記着火部に対向する頂部と、
前記頂部から放射状に延びて前記保炎器の周壁に直接固定された複数の固定部であって、互いに隣接する固定部の隙間によって第１噴出し口を形成する前記複数の固定部とを有し、
前記第１噴出し口は、前記保炎器の軸線方向に沿う方向からの平面視にて、前記保炎器の中心側における端部に、互いに隣接する前記固定部によって形成された角部を有し、
前記保炎器の周壁には、複数の第２噴出し口が形成され、
前記第２噴出し口の開口縁の少なくとも一部は、前記保炎器の軸線方向にて前記保炎器の前記表面における頂部よりも前記表面の周縁部側に配設されている
排気浄化装置用バーナー。