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JP2008232061A - ディーゼルエンジンの排気装置 - Google Patents

ディーゼルエンジンの排気装置 Download PDF

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JP2008232061A
JP2008232061A JP2007074750A JP2007074750A JP2008232061A JP 2008232061 A JP2008232061 A JP 2008232061A JP 2007074750 A JP2007074750 A JP 2007074750A JP 2007074750 A JP2007074750 A JP 2007074750A JP 2008232061 A JP2008232061 A JP 2008232061A
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exhaust
diesel engine
oxidation catalyst
combustible gas
liquid fuel
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JP2007074750A
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English (en)
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Toshio Nakahira
敏夫 中平
Masahiko Sugimoto
雅彦 杉本
Hirosumi Kuwabara
弘純 桑原
Masashi Inoue
勝支 井上
Shuichi Yamada
修一 山田
Masahiro Akeda
正寛 明田
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Kubota Corp
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Kubota Corp
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Abstract

【課題】排気温度が低い場合でも、可燃性ガスを燃焼させることができるディーゼルエンジンの排気装置を提供する。
【解決手段】ディーゼルエンジンの排気装置において、排気経路1中でフィルタの上流に酸化触媒12を配置し、ガス生成器3内での発熱反応で加温された可燃性ガス7を酸化触媒12中で排気10と合流させ、可燃性ガス7の燃焼を促進するに当たり、酸化触媒12を取り囲む排気経路周壁1aに可燃性ガス流出口9を設け、酸化触媒12の排気上流側に排気導入ノズル71を配置し、この排気導入ノズル71に筒状のノズル周壁71aを設け、このノズル周壁71aを酸化触媒12で取り囲み、このノズル周壁71aに複数の排気入口71bを設け、酸化触媒12の排気下流側に排気出口12aを設けた。
【選択図】図2

Description

本発明は、ディーゼルエンジンの排気装置に関し、詳しくは、排気温度が低い場合でも、可燃性ガスを確実に燃焼させることができるディーゼルエンジンの排気装置に関するものである。
従来のディーゼルエンジンの排気装置として、本発明と同様、液体燃料供給源からガス生成器に液体燃料を供給し、このガス生成器で液体燃料を可燃性ガスとし、このガス生成器の可燃性ガス出口を、ディーゼル・パティキュレート・フィルタの上流で排気経路に設け、可燃性ガス出口から流出した可燃性ガスを排気中の酸素で燃焼させ、その燃焼熱で加温された排気で上記フィルタに溜まった排気微粒子を燃焼させることができるようにしたものがある。
この種の排気装置では、排気温度が低い軽負荷運転中でも、可燃性ガスの燃焼熱でフィルタに流入する排気の温度を高め、排気微粒子を燃焼させ、フィルタを再生することができる利点があるとされている。
しかし、上記従来の排気装置では、可燃性ガスの燃焼を促進する手段がないため、問題が生じている。
上記従来技術では、次の問題がある。
《問題》 排気温度が低い場合には、可燃性ガスを確実に燃焼させることができない。
可燃性ガスの燃焼を促進する手段がないため、排気温度が低い場合には、可燃性ガスを確実に燃焼させることができない。
本発明は、上記問題点を解決することができるディーゼルエンジンの排気装置、すなわち、排気温度が低い場合でも、可燃性ガスを確実に燃焼させることができるディーゼルエンジンの排気装置を提供することを課題とする。
請求項1に係る発明の発明特定事項は、次の通りである。
図1に例示するように、液体燃料供給源(5)からガス生成器(3)に液体燃料(6)を供給し、このガス生成器(3)で液体燃料(6)を可燃性ガス(7)とし、このガス生成器(3)の可燃性ガス流出口(9)を、ディーゼル・パティキュレート・フィルタ(2)の上流で排気経路(1)に設け、可燃性ガス流出口(9)から流出した可燃性ガス(7)を排気(10)中の酸素で燃焼させ、その燃焼熱で加温された排気(10)で上記フィルタ(2)に溜まった排気微粒子を燃焼させることができるようにした、ディーゼルエンジンの排気装置において、
排気経路(1)中で上記フィルタ(2)の上流に酸化触媒(12)を配置し、ガス生成器(3)内での発熱反応で加温された可燃性ガス(7)を酸化触媒(12)中で排気(10)と合流させ、可燃性ガス(7)の燃焼を促進するに当たり、
図2に例示するように、酸化触媒(12)を取り囲む排気経路周壁(1a)に可燃性ガス流出口(9)を設け、酸化触媒(12)の排気上流側に排気導入ノズル(71)を配置し、この排気導入ノズル(71)に筒状のノズル周壁(71a)を設け、このノズル周壁(71a)を酸化触媒(12)で取り囲み、このノズル周壁(71a)に複数の排気入口(71b)を設け、酸化触媒(12)の排気下流側に排気出口(12a)を設けた、ことを特徴とするディーゼルエンジンの排気装置。
《効果》 排気温度が低い場合でも、可燃性ガスを確実に燃焼させることができる。
図1に例示するように、排気経路(1)中でフィルタ(2)の入口(2a)の上流に酸化触媒(12)を配置し、ガス生成器(3)内での発熱反応で加温された可燃性ガス(7)を酸化触媒(12)中で排気(10)と合流させ、可燃性ガス(7)の燃焼を促進するので、排気(10)の温度が低い場合でも、可燃性ガス(7)を確実に燃焼させることができる。
《効果》 排気温度が低い場合でも、可燃性ガスを確実に燃焼させることができる。
図2に例示するように、酸化触媒(12)を取り囲む排気経路周壁(1a)に可燃性ガス流出口(9)を設け、酸化触媒(12)の排気上流側に排気導入ノズル(71)を配置し、この排気導入ノズル(71)に筒状のノズル周壁(71a)を設け、このノズル周壁(71a)を酸化触媒(12)で取り囲み、このノズル周壁(71a)に複数の排気入口(71b)を設け、酸化触媒(12)の排気下流側に排気出口(12a)を設けたので、排気入口(71b)の総開口面積を広くできる分だけ、排気入口(71b)の単位面積当たりの排気流入量を少なくすることができる。このため、排気(10)の温度が低い場合でも、可燃性ガス(7)と排気(10)の混合物は比較的高い温度を維持したまま酸化触媒(12)を通過する。このため、酸化触媒(12)の活性化温度が確保され、排気(10)の温度が低い場合でも、可燃性ガス(7)を確実に燃焼させることができる。
(請求項2に係る発明)
請求項1に係る発明の効果に加え、次の効果を奏する。
《効果》 酸化触媒内での排気の通過抵抗を小さくすることができる。
図2に例示するように、ノズル周壁(71a)の排気上流側端部から排気下流側端部に向けて、ノズル周壁(71a)に排気入口(71b)を並べて配置するに当たり、酸化触媒(12)の断面積が排気上流側から排気下流側に近づくにつれて次第に広がるようにしたので、酸化触媒(12)の排気上流側から排気下流側に近づくにつれて増加する排気通過量に合わせて、酸化触媒(12)の通路断面積を次第に広げることができ、酸化触媒(12)内での排気(10)の通過抵抗を小さくすることができる。
(請求項3に係る発明)
請求項1または請求項2に係る発明の効果に加え、次の効果を奏する。
《効果》 酸化触媒の焼損を防止することができる。
酸化触媒(12)として、立体網目構造の金属製の担体に触媒成分を担持させたものを用いたので、担体の消炎機能で、酸化触媒(12)内での火炎燃焼が抑制され、酸化触媒の焼損を防止することができる。
(請求項4に係る発明)
請求項1から請求項3のいずれかに係る発明の効果に加え、次の効果を奏する。
《効果》 排気温度が低い場合でも、可燃性ガスを燃焼させることができる。
図2に例示するように、排気管(1b)内に酸化触媒(12)を配置し、排気管(1b)をその周囲から筒状のガス生成器(3)で取り囲んだので、酸化触媒(12)の活性化温度が確保され、排気温度が低い場合でも、可燃性ガス(7)を燃焼させることができる。
《効果》 酸化触媒の損傷が起こりにくい。
図2に例示するように、排気管(1b)内に酸化触媒(12)を配置し、排気管(1b)をその周囲から筒状のガス生成器(3)で取り囲んだので、酸化触媒(12)が排気管(1b)とガス生成器(3)とで二重に保護され、酸化触媒(12)の損傷が起こりにくい。
《効果》 排気装置をコンパクト化することができる。
図2に例示するように、排気管(1b)内に酸化触媒(12)を配置し、排気管(1b)をその周囲から筒状のガス生成器(3)で取り囲んだので、排気装置をコンパクト化することができる。
(請求項5に係る発明)
請求項4に係る発明の効果に加え、次の効果を奏する。
《効果》 ガス生成器(3)の過熱を抑制することができる。
図1に例示するように、ガス生成器(3)をその周囲から筒状の空気導入通路(72)で取り囲んだので、ガス生成器(3)をその周囲から空冷することができ、ガス生成器(3)の過熱を抑制することができる。
《効果》 ガス生成器の損傷が起こりにくい。
図2に例示するように、ガス生成器(3)をその周囲から筒状の空気導入通路(72)で取り囲んだので、ガス生成器(3)が筒状の空気導入通路(72)で保護され、ガス生成器(3)の損傷が起こりにくい。
《効果》 排気装置をコンパクト化することができる。
図2に例示するように、ガス生成器(3)をその周囲から筒状の空気導入通路(72)で取り囲んだので、排気装置をコンパクト化することができる。
(請求項6に係る発明)
請求項1から請求項5のいずれかに係る発明の効果に加え、次の効果を奏する。
《効果》 低コストで製作できる。
図1に例示するように、液体燃料(6)としてディーゼルエンジンの燃料タンク(5a)からの燃料を用い、液体燃料(6)に空気(44)を混入させるに当たり、この空気(44)として過給機(39)からの空気を用いるようにしたので、過給機付きディーゼルエンジンの燃料タンク(5a)と過給機(39)を、ガス生成器(3)の燃料供給源及び空気供給源として兼用することができ、低コストで製作できる。
(請求項7に係る発明)
請求項1から請求項6のいずれかに係る発明の効果に加え、次の効果を奏する。
《効果》 可燃性ガスの燃焼熱が安定して得られる。
ガス生成器(3)で液体燃料(6)を気化させることにより、この液体燃料(6)を可燃性ガス(7)にするようにしたので、部分酸化のような反応に比べ、可燃性ガス(7)の成分比率の変動が少なく、可燃性ガス(7)の燃焼熱が安定して得られる。
(請求項8に係る発明)
請求項1から請求項6のいずれかに係る発明の効果に加え、次の効果を奏する。
《効果》 排気温度が低い場合でも、可燃性ガスを燃焼させることができる。
ガス生成器(3)で液体燃料(6)を部分酸化させることにより、液体燃料(6)を一酸化炭素と水素とを含む可燃性ガス(7)に改質するようにしたので、可燃性ガス(7)が比較的低い温度でも発火し、排気(10)の温度が低い場合でも、可燃性ガス(7)を燃焼させることができる。
本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図1と図2は本発明の実施形態に係るディーゼルエンジンの排気装置を説明する図である。
本発明の実施形態の概要は、次の通りである。
図1に示すように、液体燃料供給源(5)からガス生成器(3)に液体燃料(6)を供給し、このガス生成器(3)で液体燃料(6)を可燃性ガス(7)とし、このガス生成器(3)の可燃性ガス流出口(9)を、ディーゼル・パティキュレート・フィルタ(2)の上流で排気経路(1)に設け、可燃性ガス流出口(9)から流出した可燃性ガス(7)を排気(10)中の酸素で燃焼させ、その燃焼熱で加温された排気(10)で上記フィルタ(2)に溜まった排気微粒子を燃焼させることができるようにしている。この排気装置は、ディーゼルエンジンの排気マニホルドの排気出口(36)に接続している。ディーゼル・パティキュレート・フィルタ(2)は、一般にDPFと呼ばれるもので、セラミックのハニカム構造体である。ディーゼル・パティキュレート・フィルタ(2)には、酸化触媒を担持させている。フィルタ(2)にはNO吸蔵触媒を担持させてもよい。
図1に示すように、排気経路(1)中で上記フィルタ(2)の入口(2a)の上流に酸化触媒(12)を配置し、ガス生成器(3)内での発熱反応で加温された可燃性ガス(7)を酸化触媒(12)中で排気(10)と合流させ、可燃性ガス(7)の燃焼を促進するに当たり、図2に示すように、酸化触媒(12)を取り囲む排気経路周壁(1a)に可燃性ガス流出口(9)を設け、酸化触媒(12)の排気上流側に排気導入ノズル(71)を配置し、この排気導入ノズル(71)に筒状のノズル周壁(71a)を設け、このノズル周壁(71a)を酸化触媒(12)で取り囲み、このノズル周壁(71a)に複数の排気入口(71b)を設け、酸化触媒(12)の排気下流側に排気出口(12a)を設けている。
図2に示すように、ノズル周壁(71a)の排気上流側端部から排気下流側端部に向けて、ノズル周壁(71a)に排気入口(71b)を並べて配置するに当たり、ノズル周壁(71a)の排気上流側端部から排気下流側端部に近づくにつれて、ノズル周壁(71a)の径を次第に小さくすることにより、酸化触媒(12)の断面積が排気上流側から排気下流側に近づくにつれて次第に広がるようにしている。排気導入ノズル(71)の排気下流側端部は閉塞されており、排気導入ノズル(71)はカップを伏せた形状となっている。可燃性ガス流出口(9)は、排気経路周壁(1a)の周方向に所定間隔を保持して、複数形成されている。排気入口(71b)も円錐台筒状のノズル周壁(71a)の周方向に所定間隔を保持して、複数形成されている。このような排気入口(71a)の環状列は、ノズル周壁(71a)の排気上流側端部から排気下流側端部に向けて複数列配置されている。
酸化触媒の構成は、次の通りである。
酸化触媒(12)として、立体網目構造の金属製の担体に触媒成分を担持させたものを用いている。具体的には、酸化触媒(12)の担体には発泡金属(Metal Form)を用いている。発泡金属は、スポンジに代表される樹脂発泡体と同じ立体網目構造を持つ金属多孔質体である。発泡金属は公知の製法によって得られる。例えば、立体網目骨格を有するポリウレタンフォームを基材とし、この基材を導電化処理した後、電気メッキを施し、基材を熱分解して除去し、金属の立体網目骨格を残すことにより得られる。触媒(12)の担体には、ステンレス製で一般にワイヤーメッシュと呼ばれるものを用いてもよい。
ガス生成器(3)の構成は、次の通りである。
図2に示すように、ガス生成器(3)は上部のミキサ(73)と下部の触媒室(51)とで構成され、ミキサ(73)では液体燃料(6)と空気(44)とを隙間(74)に供給し、この隙間(74)で液体燃料(6)と空気(44)とを混合させ、隙間(74)から触媒室(51)に混合気を供給する。液体燃料(6)としてディーゼルエンジンの燃料タンク(5a)からの燃料を用い、空気(44)として過給機(39)からの空気(44)を用いる。排気管(1b)内に酸化触媒(12)を配置し、排気管(1b)をその周囲から筒状のガス生成器(3)で取り囲み、ガス生成器(3)をその周囲から筒状の空気導入通路(72)で取り囲んでいる。空気導入通路(72)には電気ヒータ(75)を配置し、空気(44)を加熱できるようになっている。
ガス生成器への燃料等の供給構造は、次の通りである。
図1に示すように、液体燃料供給路(46)に液体燃料弁(40)を設け、空気供給路(38)に空気弁(41)を設け、各弁(40)(41)をコントローラ(42)を介して背圧センサ(43)に連携させている。フィルタ(2)に排気微粒子が溜まった場合には、背圧が上昇するため、背圧センサ(43)でこれを検出したことに基づいて、コントローラ(42)が液体燃料弁(40)と空気弁(41)とを開弁し、ガス生成器(3)に液体燃料(6)と空気(44)とを供給し、ガス生成器(3)で液体燃料(6)を気化させることにより、液体燃料(6)を可燃性ガス(7)とし、この可燃性ガス(7)を排気経路(1)中に供給する。
触媒室(51)内の触媒(51a)は酸化触媒で、液体燃料(6)の一部を酸化させ、その酸化熱で残りの液体燃料(6)を気化させる。触媒(51a)には立体網目構造の金属製の担体に白金の触媒成分を担持させたものを用いている。具体的には、触媒(51a)の担体には発泡金属(Metal Form)を用いている。触媒(51a)の担体には、アルミナペレット等の金属製ペレットを用いてもよい。空気(44)と液体燃料(6)の混合比、すなわち空燃比O/Cは0.6前後の0.4〜0.8の範囲に設定する。触媒(51a)に担体として、立体網目構造の金属製の担体のように消炎機能があるものを用いた場合には、触媒(51a)の焼損を防止することができる。
この実施形態では、ガス生成器(3)で液体燃料(6)を気化させることにより、この液体燃料(6)を可燃性ガス(7)にするが、ガス生成器(3)で液体燃料(6)を部分酸化させることにより、この液体燃料(6)を一酸化炭素と水素とを含む可燃性ガス(7)に改質するようにしてもよい。この場合には、触媒室(51)内の触媒(51a)として酸化触媒に代えて部分酸化触媒を用いる。部分酸化触媒の担体には、立体網目構造の金属製の担体にパラジウム、ロジウムからなる触媒成分を担持させたものを用いることができ、他にアルミナペレット等の金属製ペレットを用いていもよい。空気(44)と液体燃料(6)の混合比、すなわち空燃比O/Cは、1.3前後の1.0〜1.6の範囲に設定する。
フィルタ収容ケースの具体的構成は、次の通りである。
図1に示すように、両端に端壁(17)(18)を備えた筒状のフィルタ収容ケース(11)を用い、このフィルタ収容ケース(11)の軸長方向を前後方向とし、フィルタ(2)の入口(2a)側を前、出口(2b)側を後として、フィルタ収容ケース(11)内でフィルタ(2)の前方に排気入口室(19)を、フィルタ(2)の後方に排気出口室(20)をそれぞれ設け、この排気入口室(19)に排気入口管(21)を、この排気出口室(20)に排気出口管(22)をそれぞれ連通させている。
この排気入口管(21)を上記フィルタ収容ケース(11)の径方向に沿って排気入口室(19)内に挿入し、この排気入口管(21)と排気マニホルドの排気出口(36)との間に排気管(1b)を設け、この排気管(1b)内に酸化触媒(12)を収容している。
フィルタ収容ケース(11)として排気マフラ(28)を用い、排気入口室(19)を第1膨張室(29)で構成し、排気出口室(20)を最終膨張室(30)で構成し、排気入口管(21)を第1膨張室(29)の排気導入管(31)で構成し、排気出口管(22)を最終膨張室(30)の排気導出管(32)で構成している。
可燃性ガスの生成と機能は、次の通りである。
図2に示すように、ガス生成器(3)に液体燃料(6)と空気(44)とが供給されると、隙間(74)内で液体燃料(6)が空気(44)と混合し、液体燃料(6)が微粒子化されて隙間(74)から触媒室(51)内に流入する。この液体燃料(6)の一部は触媒室(51)内で酸化(触媒燃焼)され、その酸化熱(燃焼)によって残りの液体燃料(6)が気化し、高温の可燃性ガス(7)となる。高温の可燃性ガス(7)は、可燃性ガス流出口(9)から酸化触媒(12)内に供給される。一方、排気経路(1)内を通過する排気(10)が排気入口(71b)から酸化触媒(12)内に流入し、高温の可燃性ガス(7)と混合され、酸化触媒(12)内を通過する。可燃性ガス(7)は混合した排気(10)中の酸素によって酸化(燃焼)され、その酸化熱(燃焼熱)によって混合した排気(10)を加温する。
図1に示すように、排気(10)は酸化触媒(12)から矢印(60)のように流出し、更に、排気導入管(31)の出口孔(47)から流出し、第1膨張室(29)に流入した後、矢印(62)のようにフィルタ(2)にその入口(2a)から流入し、フィルタ(2)内を通過する。フィルタ(2)内を通過した排気は、矢印(63)のようにフィルタ(2)の出口(2b)から最終膨張室(30)内に流入した後、排気導入管(32)の入口孔(48)から排気導入管(32)内に流入し、矢印(64)のように排気導出管(32)から流出する。
本発明の実施形態に係るディーゼルエンジンの排気装置の縦断面図である。 図1の排気装置の酸化触媒とその周囲の縦断面図である。
符号の説明
(1)排気経路
(1a)排気経路周壁
(1b)排気管
(2) ディーゼル・パティキュレート・フィルタ
(3) ガス生成器
(5) 液体燃料供給源
(5a) 燃料タンク
(6) 液体燃料
(7) 可燃性ガス
(9) 可燃性ガス流出口
(10) 排気
(12) 酸化触媒
(12a)排気出口
(44) 空気
(71)排気導入ノズル
(71a)ノズル周壁
(71b)排気入口
(72)空気導入路

Claims (8)

  1. 液体燃料供給源(5)からガス生成器(3)に液体燃料(6)を供給し、このガス生成器(3)で液体燃料(6)を可燃性ガス(7)とし、このガス生成器(3)の可燃性ガス流出口(9)を、ディーゼル・パティキュレート・フィルタ(2)の上流で排気経路(1)に設け、可燃性ガス流出口(9)から流出した可燃性ガス(7)を排気(10)中の酸素で燃焼させ、その燃焼熱で加温された排気(10)で上記フィルタ(2)に溜まった排気微粒子を燃焼させることができるようにした、ディーゼルエンジンの排気装置において、
    排気経路(1)中で上記フィルタ(2)の上流に酸化触媒(12)を配置し、ガス生成器(3)内での発熱反応で加温された可燃性ガス(7)を酸化触媒(12)中で排気(10)と合流させ、可燃性ガス(7)の燃焼を促進するに当たり、
    酸化触媒(12)を取り囲む排気経路周壁(1a)に可燃性ガス流出口(9)を設け、酸化触媒(12)の排気上流側に排気導入ノズル(71)を配置し、この排気導入ノズル(71)に筒状のノズル周壁(71a)を設け、このノズル周壁(71a)を酸化触媒(12)で取り囲み、このノズル周壁(71a)に複数の排気入口(71b)を設け、酸化触媒(12)の排気下流側に排気出口(12a)を設けた、ことを特徴とするディーゼルエンジンの排気装置。
  2. 請求項1に記載したディーゼルエンジンの排気装置において、
    ノズル周壁(71a)の排気上流側端部から排気下流側端部に向けて、ノズル周壁(71a)に排気入口(71b)を並べて配置するに当たり、
    ノズル周壁(71a)の排気上流側端部から排気下流側端部に近づくにつれて、ノズル周壁(71a)の径を次第に小さくすることにより、酸化触媒(12)の断面積が排気上流側から排気下流側に近づくにつれて次第に広がるようにした、ことを特徴とするディーゼルエンジンの排気装置。
  3. 請求項1または請求項2に記載したディーゼルエンジンの排気装置において、
    酸化触媒(12)として、立体網目構造の金属製の担体に触媒成分を担持させたものを用いた、ことを特徴とするディーゼルエンジンの排気装置。
  4. 請求項1から請求項3のいずれかに記載したディーゼルエンジンの排気装置において、
    排気管(1b)内に酸化触媒(12)を配置し、排気管(1b)をその周囲から筒状のガス生成器(3)で取り囲んだ、ことを特徴とするディーゼルエンジンの排気装置。
  5. 請求項4に記載したディーゼルエンジンの排気装置において、
    液体燃料(6)に空気(44)を混入させるに当たり、
    ガス生成器(3)をその周囲から筒状の空気導入通路(72)で取り囲んだ、ことを特徴とするディーゼルエンジンの排気装置。
  6. 請求項1から請求項5のいずれかに記載したディーゼルエンジンの排気装置において、
    液体燃料(6)としてディーゼルエンジンの燃料タンク(5a)からの燃料を用い、液体燃料(6)に空気(44)を混入させるに当たり、
    この空気(44)として過給機(35)からの空気(44)を用いるようにした、ことを特徴とするディーゼルエンジンの排気装置。
  7. 請求項1から請求項6のいずれかに記載したディーゼルエンジンの排気装置において、
    ガス生成器(3)で液体燃料(6)を気化させることにより、この液体燃料(6)を可燃性ガス(7)にするようにした、ことを特徴とするディーゼルエンジンの排気装置。
  8. 請求項1から請求項6のいずれかに記載したディーゼルエンジンの排気装置において、
    ガス生成器(3)で液体燃料(6)を部分酸化させることにより、この液体燃料(6)を一酸化炭素と水素とを含む可燃性ガス(7)に改質するようにした、ことを特徴とするディーゼルエンジンの排気装置。
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