| 【発明の名称】 |
燃焼装置 |
| 【発明者】 |
【氏名】近藤 靖男
【氏名】上原 昌徳
【氏名】伊藤 彰
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| 【要約】 |
【課題】触媒燃焼部４を用いた燃焼装置において、着火性の向上および燃焼性の向上を図る。
【解決手段】触媒燃焼部４は、平板と波板からなるハニカム層１５を螺旋状に巻いて下流側に突出させたものであり、螺旋状に配置されたハニカム層１５の角部には、複数の高温発熱体が螺旋状に露出する。その位置で触媒燃焼部４を通過したガス化燃料と２次空気とが混合するため、早期に確実に着火できる。着火後は、２次空気吹出口９から吹き込まれた２次空気が触媒燃焼部４に衝突して乱流が発生するため、均一な可燃混合気が作られ、燃焼性が向上する。 |
【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、前記通電発熱体の内側は、下流側に突出して設けら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、前記通電発熱体の下流側突出部分の角部には、局部的に高温になる高温発熱部が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、平板と波板とを組み合わせたハニカム層を積層して設けられ、このハニカム層をずらして積層することにより、前記通電発熱体の内側が下流側に突出して設けられたことを特徴とする燃焼装置。
【請求項４】請求項１ないし請求項３のいずれかの燃焼装置において、前記空気供給手段によって前記通電発熱体の下流の前記燃焼室に空気を供給する吹出口は、前記通電発熱体における下流側突出部分に向けて空気を吹き出すことを特徴とする燃焼装置。
【請求項５】請求項１ないし請求項４のいずれか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空気を供給するものであり、通電発熱体はハニカム状を呈した略円柱、円盤形状のものであった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】通電発熱体が略円柱、円盤形状のものでは、通電発熱体の下流側の端の面が平坦になる。このため、通電発熱体の下流に供給された空気と、通電発熱体の接触面積が少なく、特に着火時の着火遅れの要因になってしまう。また、通電発熱体の下流側に局部的に発熱する高温発熱部を設けても、その高温発熱部で発生した熱が隣接するハニカム層に伝わり、高温発熱部の温度上昇率が悪くなり、これも着火遅れの要因になってしまう。さらに、通電発熱体の下流側の端の面が平坦であると、通電発熱体の下流に供給された空気と、通電発熱体を通過した混合気（一部酸化反応が進んだ混合気を含む）との混合性が悪く、エミッション発生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、着火性の向上および燃焼室における混合気と空気との混合性の向上を図ることの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〕通電発熱体の内側が下流側に突出して設けられたことにより、通電発熱体を通過した混合気と、通電発熱体の下流に供給された空気との混合性が向上するとともに、この混合気と通電発熱体の接触面積が多くなり、着火性が向上する。
【０００６】〔請求項２の手段〕通電発熱体の下流側突出部分の角部に設けた高温発熱部の発生した熱は、他の部材に伝わる不具合が抑えられるため、素早く高温になる。このように、高温発熱部が素早く高温になるため、着火性が向上する。
【０００７】〔請求項３の手段〕ハニカム層をずらして通電発熱体の内側を下流側に突出させているため、通電発熱体の高温発熱部を外表面上に露出して形成できる。
【０００８】〔請求項４の手段〕通電発熱体の下流側突出部分に向けて空気を吹き出すことにより、吹き出された空気が突出部分にぶつかって乱流になり、通電発熱体を通過した混合気との混合性が向上する。このため、燃焼室における燃焼性が向上し、エミッションを下限させることができる。
【０００９】〔請求項５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。
【００１０】
【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を、２つ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３は第１実施形態を示すもので、まず、図１を基に触媒燃焼装置を説明する。なお、実施形態中に示す上側は図１における上側を示し、下側は図１における下側を示すものとする。
【００１１】この実施形態に示す触媒燃焼装置は、２重管構造を採用するもので、内側の内筒１と、この内筒１の下外側を覆う外筒２とを備える。なお、内筒１は内部で燃料と空気との混合や燃料の燃焼を行う筒であり、外筒２は内筒１との間に空気通路３を形成する筒である。
【００１２】内筒１は、耐熱性金属（ステンレス等）よりなる略有底の円筒体であり、その中間部分には触媒燃焼部４（通電発熱体に相当する）が装着される。この触媒燃焼部４の下側（燃料供給側）が燃料と空気とを混合する予混合室５を形成する予混合筒１ａであり、触媒燃焼部４の上側（燃焼ガス排出側）が触媒燃焼部４を通過した燃料の燃焼を行う燃焼室６を形成する燃焼筒１ｂである。
【００１３】予混合筒１ａの下側中央部分には、気化器７から供給される気化燃料と、空気通路３を流れる空気（１次空気）とを予混合筒１ａ内の予混合室５へ導く混合気導入穴８が形成されている。また、触媒燃焼部４に近い側の燃焼筒１ｂには、空気通路３によって供給される空気（２次空気）を燃焼筒１ｂ内の燃焼室６に流入させるための２次空気吹出口９が複数形成されている。この２次空気吹出口９については後述する。
【００１４】なお、混合気導入穴８から予混合室５に供給される空気量は、予混合室５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）となるように調整されるとともに、２次空気吹出口９から燃焼室６に供給される空気量は、燃料供給量に対して空気供給過剰となる空燃比（理論空燃比よりも高空燃比）となるように調整されるものである。
【００１５】混合気導入穴８に対向する外筒２には、燃料タンク１０から燃料ポンプ１１（燃料供給手段に相当する）によって送られてくる液体燃料（例えば軽油等）を気化させて混合気導入穴８に供給する気化器７が装着されている。また、外筒２の下側端部には、空気通路３内に空気を供給するためのエアポンプ１２（空気供給手段に相当する）が接続されている。
【００１６】触媒燃焼部４は、多数の貫流孔４ａを備える略ハニカム状通電発熱体の表面に、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。
【００１７】また、この触媒燃焼部４は、中心側が下流側に突出して設けられるものであり、この実施形態では略円錐状に下流側に突出して設けられている。触媒燃焼部４の具体的な構造は、図２、図３に示すように、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１３（例えば厚さ５０μｍ）と波板１４（例えば厚さ５０μｍ）からなるハニカム層１５の表面にアルミナ等の薄い絶縁層を設け、その表面に着火燃焼と部分酸化反応促進のためのＰｔ、Ｐｄ等の触媒を担持したものであり、その複数のハニカム層１５を中心電極１６に溶接して螺旋状に巻いて略円錐状に形成したものである。あるいは、中心電極１６の周りに略円盤状に複数のハニカム層１５を巻いた後に、中心電極１６を外側電極１９に対して相対的に下流側軸方向へスライドさせて円錐状に形成したものである。この結果、触媒燃焼部４には、ハニカム層１５の巻き層毎に下流側へ突き出して形成する創生面１５ａに複数の高温発熱部２１を触媒燃焼部４の中心側から外周に亘って配設することができる。
【００１８】触媒燃焼部４の中心の中心電極１６は、絶縁ブッシュ１７を介して内筒１および外筒２の外部へ導かれる電源端子１８に接続されるものであり、触媒燃焼部４の外側は外側電極１９を介して内筒１にアース接続されており、外側電極１９を介して中心電極１６が電圧の印加を受けると、触媒燃焼部４が通電されて発熱する。
【００１９】触媒燃焼部４を構成するハニカム層１５の下流側には、図３に示すように、高温発熱部２１が部分的に設けられている。この高温発熱部２１は通電により着火に適した温度（例えば７００〜８００℃）以上に素早く達するものである。高温発熱部２１は、ハニカム層１５を構成する平板１３に打抜きによるスリット部２３を設けて形成したものである。このように平板１３にスリット部２３を設けることにより、平板１３を流れる電流は、高温発熱部２１に集中して流れることになり、高温発熱部２１を構成する軸方向長Ｌ1 によって、高温発熱部２１の温度が設定されている。なお、高温発熱部２１は、平板１３の巻き方向に適切な個数、適度な間隔で設定されるものであり、触媒燃焼部４の下流側突出部分の角部（螺旋状に配置されたハニカム層１５の角部）にも高温発熱部２１が配置されるものである。この角部の高温発熱部２１は、外側に接触する部材がなく、素早く温度上昇する。このため、角部の高温発熱部２１が着火に適した温度に上昇するまでの時間が短縮されるとともに、少ない電力で着火に適した温度に上昇する。
【００２０】ここで、触媒燃焼部４の下流側に２次空気を供給する２次空気吹出口９は、触媒燃焼部４の下流側突出部へ向けて２次空気を吹き出すように設けられており、この実施形態では、円錐状に突出する触媒燃焼部４の周囲に２段に亘って複数の２次空気吹出口９が設けられている。これによって、触媒燃焼部４と２次空気との接触性が向上するとともに、２次空気吹出口９から吹き込まれた２次空気が触媒燃焼部４に衝突して乱流が発生し、触媒燃焼部４を通過して部分酸化した混合気と２次空気との混合性が向上するとともに、燃焼室６内においても乱流が発生して、燃焼性が向上する。
【００２１】この実施形態の作動を説明する。図示しない運転スイッチがONされると、図示しない制御装置により、電源端子１８に電力が供給され、中心電極１６→触媒燃焼部４→外側電極１９→内筒１の経路で通電される。中心電極１６に電圧が印加されると、触媒燃焼部４が発熱して燃料を部分酸化させる温度に上昇するとともに、触媒燃焼部４の下流側に複数設けられた高温発熱部２１が着火温度以上に先行して発熱する。
【００２２】高温発熱部２１が着火温度以上に発熱する時期に達すると、制御装置が燃料ポンプ１１およびエアポンプ１２を通電し、燃料および燃焼用空気の供給を開始する。ここで、燃料ポンプ１１およびエアポンプ１２は、着火に適した低速で運転させ、着火後に増速させるように設けても良い。
【００２３】液体燃料は、燃料タンク１０から燃料ポンプ１１によって気化器７に送られる。気化器７は、例えば電熱蒸発器を内蔵するものであり、気化器７で気化した燃料は混合気導入穴８から予混合室５へ送られる。燃焼用空気は、エアポンプ１２により空気通路３内に供給され、混合気導入穴８から予混合室５へ送られるとともに、２次空気吹出口９から燃焼室６内に供給される。なお、混合気導入穴８から予混合室５へ送られる空気量と、２次空気吹出口９から燃焼室６内に供給される空気量との比率は、例えば１：２に設定されるものであり、混合気導入穴８と２次空気吹出口９から内筒１内に供給される空気量は、予混合室５に供給される燃料に対する空燃比が１７．５〜２９．２（１．２≦空気過剰率≦２）に設けられている。
【００２４】予混合室５に供給される燃料と１次空気の割合は空燃比が理論空燃比（空気と燃料との重量比１４．６）以下の燃料過剰（空気過剰率≦１）であり、この混合気は予混合室５で混合された後に触媒燃焼部４に流入する。触媒燃焼部４は、通電を受けて触媒反応開始温度以上に発熱しているため、触媒燃焼部４を通過する混合気中の燃料が比較的低温（３００℃以上）で触媒反応し、ガス化燃料（ＣＯ、Ｈ2 、軽質成分燃料等）に変性する。そして、このガス化燃料は、２次空気吹出口９から吹き出される２次空気と混合して可燃性混合気を形成する。この時、触媒燃焼部４の下流側突出部分の角部（螺旋状に配置されたハニカム層１５の角部）に配置された複数の高温発熱部２１が素早く着火温度以上に発熱しているため、可燃性混合気中に含まれるガス化燃料が高温発熱部２１に触れて多点着火し、直ちに火炎が拡散して燃焼が開始され、下流側の燃焼室６内で燃料が完全燃焼する。なお、定常燃焼時では、燃焼室６における燃焼熱を触媒燃焼部４が受けるため、触媒燃焼部４の通電を停止しても、触媒燃焼部４が触媒活性温度以上に維持され、自立安定燃焼を継続する。
【００２５】そして、燃焼室６内で燃焼完結した高温の燃焼ガスは、図示しない熱交換器を介してエンジン冷却水等の熱媒体液を加熱して外部へ排気ガスとして排出される。一方、燃焼ガスによって加熱された高温の熱媒体液は図示しないウォーターポンプによって室内空調装置のヒータコアに送られる。そして、このヒータコアを通過する空気が温められて室内に吹き出され、車室内を暖房する。
【００２６】〔実施形態の効果〕この実施形態では、複数の高温発熱部２１が触媒燃焼部４の下流側に露出しており、その位置で触媒燃焼部４を通過したガス化燃料と、触媒燃焼部４の下流側に供給される２次空気とが会合して混合するとともに、その下流側の高温発熱部２１でも混合気が接触可能になるので、早期に確実に着火できる。この結果、触媒燃焼部４のヒートアップの即効性の向上と、着火遅れに起因する未燃焼ガスの排出を抑制できる。
【００２７】着火後は、２次空気吹出口９から吹き込まれた２次空気が触媒燃焼部４に衝突して乱流が発生し、ガス化燃料と２次空気とが逐次混合して均一な可燃混合気を作り、燃焼室６内における燃焼性が向上し、燃焼室６内で燃料が燃焼完結する。また、上記で示したように、触媒燃焼部４では空気供給不足による低温燃焼が行われるため、触媒の過熱が防がれ、長期に亘って安定して触媒燃焼を行うことができる。さらに、触媒燃焼部４が１段で済み、触媒燃焼部４で活性化された未燃焼燃料を完全に燃焼するシンプルな構成を採用するものであるため、触媒燃焼装置の小型化が可能になり、低コスト化が可能になる。
【００２８】〔第２実施形態〕図４は巻回前のハニカム層１５を示す斜視図である。この第２実施形態は触媒燃焼部４の上流側と下流側の双方に高温発熱部２４、２５を設けたものである。上流側の高温発熱部２４は、通電開始初期において、他の部分に先行して素早く触媒の活性温度（例えば３００℃以上）に達するものであり、その下流側に設けられた高温発熱部２５は、通電開始初期において、他の部分に先行して素早く着火温度（例えば７００〜８００℃以上）に達するものである。
【００２９】この高温発熱部２４、２５は、ハニカム層１５を構成する平板１３に打抜穴２６を設けて形成したものである。このように平板１３に打抜穴２６を設けることにより、平板１３を流れる電流は、高温発熱部２４、２５に集中して流れることになり、上流側の高温発熱部２４の温度は軸方向長Ｌ2 によって設定され、下流側の高温発熱部２５の温度は軸方向長Ｌ3 によって設定される。
【００３０】このように設けられることにより、通電開始初期において、上流側の高温発熱部２４を通過する混合気が触媒反応を急速に起こす。その結果、触媒反応熱で触媒燃焼部４の全体の触媒が温められるため、触媒燃焼部４を通過する混合気のガス化反応と発熱が加速的に進行し、低電力でも瞬時着火が可能になる。また、着火時間の短縮によって、フル燃焼到達時間も短縮でき、クリーンな燃焼を短時間に実現できる。
【００３１】〔変形例〕上記の実施形態では、触媒燃焼部４の中心を略円錐状に下流側へ突出させた例を示したが、１段あるいは複数段など段階的に下流側へ突出させても良い。上記の実施形態では、気化器７を用いて液体燃料を気化させた後に触媒燃焼させた例を示したが、ガス燃料等を予混合室５に供給するように設けたり、燃料噴射装置によって霧化した燃料を予混合室５内に供給するように設けても良い。上記の実施形態では、触媒燃焼装置を自動車の暖房装置に用いた例を示したが、家庭用の暖房装置、給湯装置、乾燥機、工業用のバーナなど他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２００１−６５８１５（Ｐ２００１−６５８１５Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１３年３月１６日（２００１．３．１６） |
| 【出願番号】 |
特願平１１−２４５６０９ |
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