| 【発明の名称】 |
燃焼装置 |
| 【発明者】 |
【氏名】伊藤 彰
【氏名】上原 昌徳
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| 【要約】 |
【課題】触媒燃焼部6の下流側に2次空気を供給する場合、供給する2次空気によって、触媒燃焼部6の下流側に形成された1次火炎(1次燃焼による炎)が吹き消されたり不安定になる不具合があった。
【解決手段】触媒燃焼部6の下流で、且つ2次空気吹出口8の上流にリング状のプレート38を配置し、触媒燃焼部6とプレート38の間に流速の遅い保炎空間Aを形成した。この保炎空間A内に形成される1次火炎は、2次空気吹出口8から燃焼室16内に直接供給される2次空気流の影響を受けにくく、2次空気が増加したり、低温化しても、その2次空気流によって保炎空間A内の1次火炎が吹き消されたり、不安定になる不具合がない。 |
【特許請求の範囲】
【請求項1】流体が流れる多数の貫流孔を有するハニカム状を呈し、通電を受けると発熱する通電発熱体と、この通電発熱体の上流の予混合室に燃料を供給する燃料供給手段と、前記予混合室および前記通電発熱体の下流の燃焼室に空気を供給する空気供給手段と、を備える燃焼装置であって、前記通電発熱体の下流側で、かつ前記燃焼室に直接2次空気を供給する吹出口の上流側には、前記通電発熱体の下流側に流速の遅い保炎空間を形成するためのプレートが配置されたことを特徴とする燃焼装置。 【請求項2】請求項1の燃焼装置において、前記通電発熱体の内側には、通電により発熱する蒸発用ヒータを備え、その蒸発用ヒータの熱によって液体燃料を気化させて前記通電発熱体の上流の前記予混合室へ供給する液体燃料気化器が配置され、前記プレートは、前記液体燃料気化器に接合して設けられたことを特徴とする燃焼装置。 【請求項3】請求項1または請求項2の燃焼装置において、前記通電発熱体は、表面に触媒が担持して設けられたことを特徴とする燃焼装置。
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【発明の詳細な説明】【0001】 【発明の属する技術分野】本発明は、通電を受けると発熱する通電発熱体を搭載した燃焼装置に関するものである。 【0002】 【発明の背景】本願出願人は、通電発熱体を搭載した燃焼装置を出願した(特願平11−80594号、この技術は周知技術ではない)。この出願明細書に開示される燃焼装置は、通電を受けると発熱する通電発熱体の上流に予混合気を供給するとともに、通電発熱体の下流側にも燃焼用の2次空気を直接供給するものであった。 【0003】 【発明が解決しようとする課題】上記の構成の燃焼装置では、通電発熱体の下流に供給された2次空気の空気流によって、通電発熱体の下流側に形成された1次火炎が不安定になったり、冷却されることにより、不安定になり易くなる。これは、燃焼量が増大して2次空気の供給量が増すことにより、通電発熱体の下流側に形成された1次火炎が吹き消されたり、不安定になる傾向があり、エミッションの増大の要因になってしまう。 【0004】 【発明の目的】本発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、その目的は、通電発熱体の下流側に形成される1次火炎の吹き消されや、不安定になるのを防止できる燃焼装置の提供にある。 【0005】 【課題を解決するための手段】〔請求項1の手段〕この実施形態では、通電発熱体の下流側で、かつ燃焼室に直接2次空気を供給する吹出口の上流側に配置されたプレートによって、通電発熱体とプレートとの間に濁流が発生し流速の遅い保炎空間が形成される。このため、その保炎空間において通電発熱体の下流に形成された1次火炎(1次燃焼の炎)が保炎される。これにより、通電発熱体の下流側に直接供給される2次空気の流れによって、保炎空間内に形成された1次火炎が吹き消されたり不安定になる不具合が回避される。 【0006】このように、通電発熱体とプレートとの間に形成された保炎空間によって1次火炎が常に安定するため、エミッションの増加が防がれ、常にクリーンな燃焼が可能になる。 【0007】〔請求項2の手段〕プレートが液体燃料気化器に接合して設けられたことにより、燃焼室内で発生した燃焼による熱が、プレートを介して液体燃料気化器に伝わる。このように、燃焼中に燃焼室内で発生した熱が効率よく液体燃料気化器に伝わるため、液体燃料気化器に配置された蒸発用ヒータの消費電力を抑えることができる。 【0008】〔請求項3の手段〕通電を受けると発熱する通電発熱体は表面に触媒を担持したものであるため、通電を受けると触媒の作用を高めることができ、始動開始初期における触媒の作用を高めることができる。 【0009】 【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を、複数の実施形態および変形例を用いて説明する。 〔第1実施形態〕図1〜図4は第1実施形態を示すもので、まず、図2を参照して液体燃料気化器を適用する触媒燃焼装置を用いた温水加熱装置を説明する。なお、実施形態中に示す上側は図2における上側を示し、下側は図2における下側を示すものとする。 【0010】この実施形態に示す温水加熱装置は、多重管構造を採用するもので、内側より燃焼筒1、排気筒2、温水筒3を備える。なお、燃焼筒1は内部で燃料の燃焼を行う筒であり、排気筒2は燃焼筒1および後述する外側空気案内筒9との間に環状の燃焼ガス通路4を形成する筒であり、温水筒3は排気筒2との間に環状の温水通路5を形成する筒である。 【0011】燃焼筒1は、下側(燃料供給側)の小径筒1aと、上側(燃焼ガス排出側)の大径筒1bとからなる耐熱性金属(ステンレス等)よりなる筒体であり、小径筒1aと大径筒1bは段差部1cを介して径が変化する。小径筒1aの下側の内部には、触媒燃焼部6および液体燃料気化器7が配置されており、触媒燃焼部6および液体燃料気化器7よりやや上側の小径筒1aの周囲には、燃焼筒1の内部に2次空気を流入させるための2次空気吹出口8が複数形成されている。 【0012】また、小径筒1aの周囲には、大径筒1bと同径の外側空気案内筒9(燃焼ガス通路4と外側空気供給通路10とを区画する隔壁)と、小径筒1aよりやや大径な内側空気案内筒11とによる2重筒が配置されている。外側空気案内筒9と内側空気案内筒11との間の外側空気供給通路10は、下側より供給される空気を燃焼ガスと熱交換しながら段差部1cの下側のターン部12まで導くものである。また、内側空気案内筒11と小径筒1aとの間の内側空気供給通路13は、ターン部12でターンした空気を下側に導くものである。 【0013】なお、内側空気供給通路13における2次空気吹出口8より下側の1次空気供給通路15が予混合室14に空気を導く1次空気の供給手段であり、1次空気供給通路15から予混合室14に供給される空気量は、予混合室14に供給される燃料供給量に対して燃料供給過剰となる空燃比(理論空燃比よりも低空燃比)となるように調節されている。 【0014】一方、2次空気吹出口8は、触媒燃焼部6の下流側の燃焼室16に未燃焼燃料を完全燃焼させるのに必要な2次空気を供給する手段であり、2次空気吹出口8から燃焼筒1内に供給される空気量は、燃焼室16内の未燃焼燃料を完全燃焼するのに必要な空燃比(理論空燃比よりも高空燃比)となるように調節されている。なお、この実施形態では、予混合室14に供給される1次空気と、2次空気吹出口8から燃焼筒1内に供給される2次空気との割合は、例えば約1:2に設定されている。 【0015】排気筒2は、燃焼筒1の上側(排気下流側)が閉塞した円筒体であり、内面に燃焼ガスの熱を排気筒2に伝えるガス伝熱フィン17が形成されており、外面に温水通路5を螺旋状に導く水側伝熱フィン18が形成されている。また、排気筒2の上流端部には、燃焼ガス通路4によって下側に導かれた燃焼ガスを外部に排出するための排気筒排気穴19が形成されている。 【0016】温水筒3は、排気筒2同様、燃焼筒1の上側が閉塞した円筒体であり、排気筒2の排気筒排気穴19に連通する温水筒排気穴20が形成されている。また、温水筒3の上側には、温水を温水通路5に導く温水入口21が形成され、温水筒3の下側には、温水を外部へ導く温水出口22が形成されている。 【0017】予混合室14、排気筒2、温水筒3の下側は、端板23によって閉塞されている。この端板23の外側には、エアポンプ24(空気供給手段に相当する)から空気流入口25を介して燃焼用の空気が内部に供給される空気流入筒26が装着されており、この空気流入筒26内に供給された空気は、端板23に形成された空気供給孔27を介して外側空気供給通路10に導かれる。 【0018】一方、端板23の内部には、燃焼筒1の小径筒1a内に延びる液体燃料気化器7が取り付けられている。この液体燃料気化器7は、液体燃料を熱で気化させてから触媒燃焼部6の上流の予混合室14へ導くためのもので、端板23に対して複数の絶縁材28a、28bを介して取り付けられる中心電極管29と、この中心電極管29から液体燃料の供給を受け、絶縁材28cを介して中心電極管29に絶縁保持される蒸発筒30と、この蒸発筒30内に配置され、中心電極管29からの通電によって発熱する蒸発用ヒータ31とを備える。なお、中心電極管29の中心には、液体燃料を通す流路29aが形成されている。 【0019】蒸発筒30の上側は、燃焼筒1内に臨む閉端面30aであり、その内部には流路29aを介して供給された液体燃料を毛細管現象や重力によって底全域に拡散させるための底用燃料吸収体30bが配置されている。この底用燃料吸収体30bはセラミック繊維等の耐熱性絶縁材によるものであっても良いし、金属製多孔質材料(例えば、ステンレスなど耐熱性と熱伝達性に優れた金属製の発泡金属や金網を積層したもの)と絶縁材料を組み合わせたものであっても良い。蒸発筒30の下側の側面には、内部で気化した燃料を予混合室14へ導く燃料流出孔32が設けられている。なお、蒸発筒30は、触媒燃焼部6、燃焼筒1等を介してアース接地されるもので、中心電極管29に電圧が印加されると蒸発用ヒータ31が触媒燃焼部6とともに通電される。 【0020】中心電極管29の流路29aの開口端には、燃料タンク33内に蓄えられた液体燃料(例えば軽油等)が燃料ポンプ34(燃料供給手段に相当する)によって供給されるように設けられている。一方、中心電極管29は、電源端子35を介して電圧の印加を受けるように設けられている。電源端子35は、絶縁材36を介して空気流入筒26に貫通配置されるもので、複数の固定ナット37a、37bに挟持されて中心電極管29に固定されている。 【0021】蒸発用ヒータ31は、多数の貫流孔を備える略ハニカム状に設けられたものであり、例えばFe−Cr−Alフェライト系ステンレス製の通電抵抗により発熱する平板(例えば厚さ50μm)と波板(例えば厚さ50μm)とを溶接にて接合した帯状発熱体の表面に、アルミナ等の薄い絶縁層を設け、これの一端側を中心電極管29に溶接し、全体をこの中心電極管29の周囲に巻き付けたものである。なお、帯状発熱体の他端側は蒸発筒30に溶接にて接続されている。 【0022】蒸発筒30の周囲には、触媒燃焼部6が配置されている。この触媒燃焼部6は多数の貫流孔を備える略ハニカム状に設けられた通電によって発熱する通電発熱体の表面に、着火燃焼と部分酸化反応を促進させる触媒(Pt、Pd、Rn等の貴金属、Ni、Cu等の金属、アルミナ、ジルコニア等の酸化物)を担持したものである。なお、絶縁層を形成するアルミナ等の酸化物層をそのまま利用しても部分酸化反応は可能である。 【0023】具体的な触媒燃焼部6の構成は、上記の蒸発用ヒータ31と同様、例えばFe−Cr−Alフェライト系ステンレス製の通電抵抗により発熱する平板と波板とを溶接にて接合した帯状発熱体の表面にアルミナ等の薄い絶縁層を設け、さらにPt、Pd等の触媒を担持したものを複数、蒸発筒30の周囲に巻き付けたものである。なお、帯状発熱体の隣り合う間は溶接されていない。この触媒燃焼部6を構成する複数の帯状発熱体の一端側は蒸発筒30に溶接にて接続され、他端側は外側電極39を介して燃焼筒1に接続されており、中心電極管29が電圧の印加を受けると、蒸発用ヒータ31とともに通電されて発熱するように設けられている。 【0024】ここで、触媒燃焼部6の最外周部には、中央部分に穴38aの開いたリング状を呈し、下流側に向かって径が小さくなったプレート38が配置されている。このプレート38は、例えば外側電極39に溶接等により接合されたものであり、触媒燃焼部6の下流側で、かつ燃焼室16に2次空気を直接供給する2次空気吹出口8の上流側に、流速の遅い保炎空間Aを形成するためのものである。つまり、この実施形態では、触媒燃焼部6の下流の外周側にプレート38による保炎空間Aが形成されたものである。 【0025】蒸発用ヒータ31および触媒燃焼部6の通電制御、エアポンプ24および燃料ポンプ34の通電制御は、図3に示す制御装置40によって行われる。制御装置40は、手動操作される運転スイッチ41の他に、温水通路5内の温水温度を検出する水温センサ42、燃焼ガス通路4内の燃焼ガス温度を検出する排気温センサ43を備え、運転スイッチ41がONされた状態で水温センサ42の検出温度が運転開始温度より低い場合に燃料の燃焼を開始させ、運転スイッチ41がOFF された場合や水温センサ42の検出温度が運転停止温度より高い場合に燃料の燃焼を停止させるものである。また、制御装置40は、水温センサ42の検出温度に基づいて燃焼量を増減するように設けられている。 【0026】〔実施形態の作動〕実施形態の作動を図4のタイムチャートに基づき説明する。運転スイッチ41がONされ、水温センサ42の検出温度が運転開始温度より低い場合は、燃焼を開始する。まず、エアポンプ24および燃料ポンプ34を着火に適した低速で運転させるとともに、蒸発用ヒータ31および触媒燃焼部6を通電する。 【0027】燃料ポンプ34が作動することにより、中心電極管29から蒸発筒30内に液体燃料が供給され、底用燃料吸収体30bによって拡散した液体燃料が蒸発用ヒータ31によって加熱されて蒸発する。蒸発した気化燃料は、蒸発筒30から予混合室14に噴出される。予混合室14には気化燃料の他に、エアポンプ24の作動によって1次空気が供給されており、予混合室14で混合された混合気は触媒燃焼部6へ導かれる。 【0028】触媒燃焼部6も通電されて発熱しており、触媒が活性化するとともに、予混合室14から供給された混合気を貫流孔に通過させ、触媒の作用にて混合気を低温で触媒燃焼させる。触媒燃焼部6での燃焼は、1次空気が不足しているため、その未燃焼燃料は2次空気吹出口8から燃焼筒1内に供給される2次空気によって完全燃焼される。この運転開始初期であっても、未燃焼ガスは、活性化されて触媒の作用で部分酸化反応が促進されているため、始動時においても排気エミッションが低減される。 【0029】排気温センサ43の検出値によって着火が確認されると(t1 )、エアポンプ24および燃料ポンプ34を徐々に定常運転に移行させる。その後、排気温センサ43の検出値が所定温度に達すると(t2 )、蒸発用ヒータ31および触媒燃焼部6の通電を停止する。なお、この実施形態では、排気温センサ43の検出値によって、着火確認と、蒸発用ヒータ31および触媒燃焼部6の通電停止を行ったが、タイマー制御によって実施しても良い。 【0030】蒸発用ヒータ31および触媒燃焼部6の通電を停止するころまでに、燃焼によって発生した熱の伝達によって蒸発用ヒータ31および触媒燃焼部6が通電を受けなくても高温になっているため、蒸発筒30内に供給した液体燃料が蒸発して気化するとともに、触媒燃焼部6を通過する混合気が触媒燃焼する。 【0031】定常運転に移行しても、予混合室14から触媒燃焼部6に供給される混合気は、理論空燃比よりも燃料過剰であり、触媒燃焼部6での燃焼温度が低温(例えば600℃ほど)に抑えられる。この温度は、触媒の耐熱温度(例えば900℃)より低いため、触媒燃焼部6に担持された触媒の劣化が防がれる。また、触媒燃焼部6を通過する燃料過剰の混合気は、触媒燃焼部6による部分酸化反応によって活性化ガスに変性する。 【0032】触媒燃焼部6を通過した活性化ガスには、2次空気吹出口8から2次空気が供給され、未燃焼燃料の燃焼が行われる。燃焼筒1に供給される燃料供給量に対する1次空気と2次空気の供給量は、総空燃比が17.5〜29.2(空気過剰率1.2≦2)に設けられており、2次空気吹出口8の下流の燃焼筒1内(燃焼室16内)において、燃料が完全燃焼する。 【0033】燃焼筒1内で発生した高温の燃焼ガスは、排気筒2の底でターンして排気筒2の内面に沿って流れ、ガス伝熱フィン17を介して温水通路5を流れる温水を加熱し、排気筒排気穴19および温水筒排気穴20を介して外部に排出される。一方、温水は、温水入口21から温水通路5に導かれ水側伝熱フィン18を介して燃焼ガスと熱交換されて加熱され、温水出口22から外部に流出する。この加熱された温水は、図示しない温水ポンプによって、空調装置のヒータコアに送られ、ヒータコアを通過する空気と熱交換されて、車室内を暖房するようになっている。 【0034】運転スイッチ41がOFF されると、燃料ポンプ34がただちに停止され、燃料の供給が停止される。一方、エアポンプ24は、所定時間t4 に亘って運転が継続され、残存燃料を燃焼させるとともに、燃焼筒1の内部の冷却運転(ポストパージ運転)を行う。そして、所定時間t4 後にエアポンプ24も停止し、全機能が停止する。 【0035】〔実施形態の効果〕この実施形態では、触媒燃焼部6の下流側外周に、プレート38による流速の遅い保炎空間Aが形成され、その保炎空間Aにおいて触媒燃焼部6の下流に形成された1次火炎(1次燃焼の炎)が保炎される。これにより、燃焼量が増えて、2次空気吹出口8から燃焼室16内に直接供給される2次空気量が増大しても、2次空気の流れによって保炎空間A内に形成された1次火炎が吹き消されたり不安定になる不具合が回避される。このように、触媒燃焼部6とプレート38との間に形成された保炎空間Aによって1次火炎が常に安定するため、エミッションの増加が防がれ、常にクリーンな燃焼が可能になる。 【0036】〔第2実施形態〕図5に第2実施形態を示す。この第2実施形態は、第1実施形態で示したプレート38を波形に設けたものである。これにより、保炎空間Aで乱流が発生するため、保炎空間A内において未燃焼ガスと燃焼ガスとの混合性が向上し、エミッションの低減を図ることができる。 【0037】〔第3実施形態〕図6に第3実施形態を示す。この第3実施形態は、第1実施形態で示したプレート38に多数の孔38bを形成したものである。これにより、プレート38を通過する未燃焼ガスと燃焼ガスとが混合した1次燃焼ガスの圧力損失を低減できるとともに、多数の孔38bを通過する際に1次燃焼ガス中における未燃焼ガスと燃焼ガスとの混合性が向上し、エミッションの低減を図ることができる。 【0038】〔第4実施形態〕図7に第4実施形態を示す。この第4実施形態は、第1実施形態で示したプレート38の下流部分に、一端外側に広がりその外周部分で再び内側に向かう形状の流体保持部38cを設けたものである。このように、プレート38の下流側に流体保持部38cを設けたことにより、プレート38の上流側における保炎効果を高めることができる。 【0039】〔第5実施形態〕図8に第5実施形態を示す。この第5実施形態は、プレート38を液体燃料気化器7の下流端面(閉端面30a)に接合したものである。このプレート38は、下流側に向かって径が広がったリング状を呈するもので、内側の部分が閉端面30aに溶接等により接合されたものである。このプレート38は、熱伝導性に優れ、且つ耐熱性材料よりなる例えばステンレス性のもので、触媒燃焼部6の下流の内周側に保炎空間Aを形成するものである。このように、熱抵抗の小さいプレート38が液体燃料気化器7の下流端面(閉端面30a)に接合して設けられたことにより、燃焼室16内で発生した燃焼による熱が、プレート38を介して液体燃料気化器7に伝わる。このため、燃焼中において液体燃料気化器7内に配置された蒸発用ヒータ31の消費電力を抑えることができる。 【0040】〔第6実施形態〕図9に第6実施形態を示す。この第6実施形態は、第5実施形態で示したプレート38を波形に設けたものである。これにより、保炎空間Aで乱流が発生するため、保炎空間A内において未燃焼ガスと燃焼ガスとの混合性が向上し、エミッションの低減を図ることができる。 【0041】〔第7実施形態〕図10に第7実施形態を示す。この第7実施形態は、第5実施形態で示したプレート38に多数の孔38bを形成したものである。これにより、プレート38を通過する未燃焼ガスと燃焼ガスとが混合した1次燃焼ガスの圧力損失を低減できるとともに、多数の孔38bを通過する際に1次燃焼ガス中における未燃焼ガスと燃焼ガスとの混合性が向上し、エミッションの低減を図ることができる。 【0042】〔第8実施形態〕図11に第8実施形態を示す。この第8実施形態は、第5実施形態で示したプレート38の下流部分に、一端内側に窄まりその内周部分で再び外側に広がる形状の流体保持部38cを設けたものである。このように、プレート38の下流側に流体保持部38cを設けたことにより、プレート38の上流側における保炎効果を高めることができる。 【0043】〔第9実施形態〕図12に第9実施形態を示す。この第9実施形態は、プレート38を燃焼筒1の小径筒1aに溶接等により接合したものである。このプレート38は、平板リング状を呈するもので、内側には燃焼を阻害しない大きさの穴38aを設けたものであり、触媒燃焼部6の下流の外周側に保炎空間Aを形成するものである。 【0044】〔第10実施形態〕図13に第10実施形態を示す。この第10実施形態は、第9実施形態で示したプレート38を波形に設けたものである。これにより、保炎空間Aで乱流が発生するため、保炎空間A内において未燃焼ガスと燃焼ガスとの混合性が向上し、エミッションの低減を図ることができる。 【0045】〔第11実施形態〕図14に第11実施形態を示す。この第11実施形態は、第9実施形態で示したプレート38に多数の孔38bを形成したものである。これにより、プレート38を通過する未燃焼ガスと燃焼ガスとが混合した1次燃焼ガスの圧力損失を低減できるとともに、多数の孔38bを通過する際に1次燃焼ガス中における未燃焼ガスと燃焼ガスとの混合性が向上し、エミッションの低減を図ることができる。 【0046】〔第12実施形態〕図15に第12実施形態を示す。この第12実施形態は、第9実施形態で示したプレート38の内側部分に、一端下流側に向かい、その内側部分で再び上流側に向かう形状の流体保持部38cを設けたものである。このように、プレート38の内側に流体保持部38cを設けたことにより、プレート38の上流側における保炎効果を高めることができる。 【0047】〔第13実施形態〕図16に第13実施形態を示す。この第13実施形態は、プレート38を燃焼筒1の小径筒1aに溶接等により接合したものである。このプレート38は、平板円盤形状を呈するもので、燃焼を阻害しないように、複数の穴38dが設けられたものであり、触媒燃焼部6の下流の外周側に保炎空間Aを形成するものである。 【0048】〔変形例〕上記の実施形態では、プレート38を触媒燃焼部6、蒸発筒30、あるいは燃焼筒1の小径筒1aに接合して設けた例を示したが、プレート38を触媒燃焼部6、蒸発筒30、あるいは燃焼筒1の小径筒1aなどに一体に設けても良い。上記の実施形態では、触媒燃焼装置を自動車の温水加熱装置に適用した例を示したが、ファンヒータなど、他の用途の燃焼装置に適用しても良い。
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| 【出願人】 |
【識別番号】000004260 【氏名又は名称】株式会社デンソー
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| 【出願日】 |
平成11年8月31日(1999.8.31) |
| 【代理人】 |
【識別番号】100080045 【弁理士】 【氏名又は名称】石黒 健二
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| 【公開番号】 |
特開2001−74204(P2001−74204A) |
| 【公開日】 |
平成13年3月23日(2001.3.23) |
| 【出願番号】 |
特願平11−246151 |
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