JP2008075527A - 排気処理装置用の尿素水注入装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
尿素水を電気ヒータで加熱し、気化させるにあたり、尿素の析出防止を図りながら、電気ヒータでの消費電力を低減する。
【解決手段】
尿素水を噴霧状に噴射し、その噴霧が接触する伝熱面において、単位伝熱面積あたりのヒータの発熱量を、噴射点から遠い場所では、近い場所より高くすることと、噴射点から遠い場所のみに、噴霧を滞留させる物体を設ける。これにより、噴射点から近い場所は、発熱密度を高くし、噴射点から遠い場所では発熱体が噴霧に熱を伝えるまでの熱抵抗を低減する。
【選択図】 図４

Description

本発明は、エンジン用排気処理装置に係り、特に還元剤として尿素水を用い、排気中の窒素酸化物を効率良く除去することができる排気処理装置に関する。

従来より、ディーゼルエンジンにおいては、排気ガスが流通する排気管の途中に、酸素共存下でも選択的に窒素酸化物（以下ＮＯｘと記す）を還元剤と反応させる性質を備えた選択還元型触媒を装備し、この選択還元型触媒の上流側に必要量の還元剤（炭化水素，アンモニア又はその前駆体）を添加して、この還元剤を選択還元型触媒上で排気ガス中の
ＮＯｘと還元反応させ、これによりＮＯｘの排出濃度を低減し得るようにしたものがある。この選択還元型触媒を使ったＮＯｘ低減手法をＳＣＲ（Selective Catalytic
Reduction ）と呼び、還元剤として尿素を使うものは特に尿素ＳＣＲと呼ばれている。この尿素ＳＣＲを車両に適用するため、尿素水をタンクに貯蔵しておき、運転に際しこのタンクから供給された尿素水を排気通路内に噴射し、排気熱を利用して尿素を加水分解させ、これにより生じるアンモニアによってＮＯｘを低減するための技術が知られている（特許文献１）。

尿素注入装置から注入された尿素は以下の化学反応で尿素からアンモニア（ＮＨ₃）を生じる。

(ＮＨ₂)₂ＣＯ＋Ｈ₂Ｏ → ２ＮＨ₃＋ＣＯ₂
また、脱硝触媒上でＮＯｘがアンモニアによって還元される反応には数種類あるが、比較的低温では下記の反応が最も反応速度が高い。

ＮＯ＋ＮＯ₂＋２ＮＨ₃ → ２Ｎ₂＋３Ｈ₂Ｏ
エンジンから排出された直後の排気ガスのＮＯｘはほとんどがＮＯであるため、上記の脱硝反応を起こさせるためには、ＮＯのうちの半分をＮＯ₂ にする必要がある。このため、尿素注入装置の上流に酸化触媒を置き、ＮＯｘの成分をＮＯ：ＮＯ₂＝１：１ にした上で脱硝反応をさせることで、脱硝反応の促進が図られる。この他、酸化触媒は、炭化水素等を酸化反応させることで、排気ガス温度を高める機能を兼ねることができる。

また、排ガス温度が低い場合、脱硝反応が起き難くなることで、脱硝性能が低下する特性があるが、尿素水を添加する際に、電気ヒータによる加熱によって尿素水を気化させ、尿素のアンモニアへの加水分解を促進することで、脱硝触媒を有効に活用し、ＮＯｘ低減性能を高める技術も知られている（特許文献２）。

排気ガスに尿素水を注入する際、排気ガスの温度が高い場合は、直接尿素水を噴射しても、排気ガスから熱を受けることで、尿素水の気化が進み、排気ガス中に尿素が行き渡り、尿素から生じたアンモニアでＮＯｘを処理することが出来る。しかし、排気ガスの温度が低い場合は、排気ガスの熱だけで尿素水を完全に気化させることは難しく、また、噴射された尿素水噴霧は煙道の壁面に付着して、析出を起こす恐れが生じる。また、壁面に付着することがなくても、尿素の加水分解反応が進みにくく、脱硝触媒上で、尿素の加水分解反応を起こすことになる。脱硝触媒が加水分解反応に使われる場合、アンモニアによるＮＯｘの還元反応（＝脱硝反応）が行われず、加水分解反応が起きた下流の触媒上で、脱硝反応を行うことになり、本来の目的で使用できる脱硝触媒の領域が減ってしまう。化学反応は温度が低いと反応速度が低く、排気ガス温度が低ければ、脱硝反応も反応速度が低下し、脱硝しずらくなる上に、脱硝反応に使える触媒の面積が低下すると、より一層、脱硝しずらくなる。このため、排気ガス温度が低いときは脱硝性能の大幅な低下を招く。この問題を解決するため、排気ガスの温度が低い場合は、尿素をあらかじめ加水分解させ、アンモニアガスにした状態で排気ガス中に注入することが有効であり、電気ヒータを備えた尿素水注入装置は、低排気温度時の脱硝性能向上のために有効な手段となっている。

特開２０００−０２７６２７号公報 特開２００５−３４４５９７号公報

尿素水の気化を電気ヒータによって図る場合、電力を消費するために、この装置を用いない場合に比べ、エンジンに付随した発電機での発電量を増やす必要がある。発電量の増加には発電機の大型化を必要とする。また、電気ヒータが消費する電力は他の電気部品に比べて消費電力が大きくなりやすいため、供給する電流も大きくなり、電力供給装置は大電流に対応したものを必要とする。これらの問題となる要因を低減するには、尿素水を気化させるための電気ヒータの消費電力を削減する必要がある。

一方で、単位質量あたりの尿素水を気化させるために必要な熱量は決まっていることから、気化する尿素水量を変えずに電気ヒータの消費電力を低減することは非常な困難を伴う。

また、尿素水供給量を変えずに、電気ヒータに流す電流を低下させて消費電力を削減した場合、尿素水の気化率が低下するとともに、尿素水と接触する伝熱面の温度が低下する。尿素水は２００℃程度の固体表面上で緩やかに加熱を受けると、水分だけが気化して固体の尿素が析出する。さらに緩やかな加熱を続けると、固体の尿素がシアヌル酸などのより強固な固体物に変質し、固体面からの析出物の除去がより困難になる。電気ヒータの伝熱面でこの析出が起きると、固体物が堆積することで流路を閉塞させ、尿素水供給装置としての機能を果たさなくなる恐れがある。

また、固体表面に液滴（噴霧は多数の液滴から構成されている）を接触させて液滴を加熱する場合、固体表面では液膜が形成される場合と、されない場合の２つの伝熱形態がある。前者はいわゆる核沸騰と同じ状態にあり、後者は膜沸騰と同じ状態になる。膜沸騰の形態になった場合、液滴は固体表面の伝熱面に接触した瞬間に、気化により生じた蒸気が液滴を跳ね飛ばすため、液滴が固体表面に接触し続けることはなく、液膜が形成されない。この場合、液滴が固体表面で緩やかに加熱される状態にはならないので、尿素が析出を起こすことはない。ただし、膜沸騰は核沸騰に比べ、熱伝達率が低いという特性を持つため、膜沸騰をさせるようにヒータを設計するとより多くの伝熱面積を必要とするという問題が生じる。

一方、固体表面に液膜が形成される形態では、核沸騰を起こすことで、熱伝達率は良くなるが、尿素水が固体表面上で緩やかに加熱される状態になり易く、析出を起こす可能性を高めるという問題がある。

一般に、噴射装置から噴射された噴霧は、噴射点からの距離が遠くなる程、噴霧の存在密度が低下する。このため、噴射点から近い場所では、噴霧の存在密度が高く、伝熱面に衝突する噴霧の量が多くなる可能がある。しかし、膜沸騰により噴霧を気化させる場合、噴霧は伝熱面に当たってすぐに跳ね返り、下流の伝熱面に再び接触するということを繰り返すため、噴射点から直接伝熱面に到達する噴霧の存在密度と、実際に伝熱面に接触する噴霧の存在密度は一致しない。このため、伝熱面で膜沸騰を起こさせながら、尿素水噴霧を気化させる場合、噴霧の挙動が複雑になり、最適な伝熱面の加熱方法が不明となる問題があった。

前記課題を解決するため、本発明は主として次のような構成を採用する。

尿素水を噴霧状に噴射する噴射装置と、前記噴射装置から噴射された尿素水と接触する伝熱面を有し尿素水を加熱して気化する電気ヒータとを備え、エンジンの排気煙道に尿素水から生成されるアンモニア成分を注入する排気処理装置用の尿素水注入装置において、前記電気ヒータは前記噴射装置から噴射された尿素水と接触する伝熱面を有し、この電気ヒータの前記伝熱面の単位面積あたりの発熱量を、前記噴射装置の噴射点から遠い場所では、近い場所より、低い構成とする。

同時に、前記噴射装置の噴射点から近い場所では、遠い場所より単位面積あたりの発熱量を高くする。伝熱面で噴霧を膜沸騰をさせる場合、液滴が下流に跳ねていくことにより、最適な伝熱面の加熱方法が不明になるという問題があったが、発明者らは、試行錯誤の実験により、尿素水噴霧に関しては、噴射点からの距離が、単位面積あたりの伝熱面から奪われる熱量を支配することを発見した。この知見から、噴射点から近い場所では、単位伝熱面積あたりの発熱量を高くすることにした。

また、電気ヒータは、電熱線を発熱体とし、この電熱線は、連続した１つの電熱線の中で、前記噴射点に遠い場所での単位空間あたりの発熱量を、前記噴射点から近い場所での単位空間あたりの発熱量より低くする構成にするとよい。

また、電気ヒータは伝熱管に電熱線を巻いた構造にし、噴射装置の噴射点から近い場所では遠い場所より、電熱線を巻くピッチを、小さくすることで、単位空間あたりの発熱量を高くした構成にするとよい。

また、伝熱管を用いる場合で、噴射装置の噴射点から遠い場所の伝熱管の内面に、コイル状の物体を設けることや、噴射装置の噴射点から遠い場所の伝熱管内面にらせん状の溝を設けるなどして、噴射点から遠い場所では尿素水噴霧を滞留し易い構成にするとよい。

また、伝熱管を用いる場合で、噴射装置の噴射点から遠い場所では近い場所より、伝熱管の内径小さくした構成にするとよい。

また、伝熱管を用いる場合で、噴射装置の噴射点から近い場所では、伝熱管を噴射装置の噴射軸と平行な直管にし、前記噴射装置の噴射点から遠い場所では、伝熱管を曲げた構成にするとよい。

また、伝熱管を用いる場合で、伝熱管には、排気ガスの一部を分流する構成とし、前記伝熱管の入口部に前記排気ガスの一部が流入すると共に前記噴射装置から尿素水噴霧が噴射される室を有し、前記伝熱管の入口部は前記室の内部に向けて窪んだ凹部に設けることにより、前記伝熱管の入口部を尿素水噴霧の噴射点に近付けた構成にするとよい。

また、伝熱管を用い、この伝熱管に分流させた排気ガスを流す場合で、この分流ガスが流入する箇所の中心軸は、前記伝熱管の中心軸に対して偏心させることで、前記伝熱管内での分流ガスの流れに旋回を生じさせる構成にするとよい。

また、電熱線を２本備え、各々の電熱線は各空間での単位体積あたりの発熱量が等しい構成にするとよい。

尿素水噴霧を伝熱面に接触させ、電気ヒータで加熱・気化させるに当たって、電気ヒータの伝熱面積あたりの発熱量を、噴射点から遠い場所では近い場所より低くすることで、その場所での電気ヒータ自身の温度が上がり過ぎないようになり、電気ヒータと外部との温度に応じて必然的に発生する熱損失を低減することが可能になり、同じ量の尿素水を気化させるために消費する電気ヒータの電力を削減することが可能になる。

同時に、噴射点から遠い場所での熱損失を低減することにより、全体で同じ消費電力の場合、噴射点から近い場所では、消費する電力を高めることが可能になる。伝熱面の単位面積あたりの発熱量を増やすことは、伝熱面温度を高めることになり、尿素水の液滴と伝熱面との伝熱形態を、膜沸騰で維持することが可能になる。膜沸騰の場合、伝熱面に尿素水の液膜が形成されることがなく、尿素の析出防止が可能になる。これにより、尿素水注入装置で尿素が詰まって、注入が出来なくなる事態を回避することが可能になる。

また、噴射点から近い場所では、単位伝熱面積あたりの発熱量を高くしても、尿素水が奪う熱量も大きいため、電気ヒータの温度が必要以上に高くならず、熱損失の増加が抑えられる。

また、電熱線を発熱体とし、連続した１つの電熱線の中で、噴射点から遠い場所では、近い場所より発熱密度を下げることで、上記と同様に、消費電力を低減することと、尿素水が析出して閉塞を起こすことを回避できるようになることに加え、発熱密度に違いを持たせるために個別の電熱線を設置する必要がなくなり、使用する電熱線の本数を減らすことが可能になる。電熱線の本数が減ると、ヒータの製造が容易になり、機器としての信頼性が向上する。

また、上記の電気ヒータを実現するにあたって、電熱線を伝熱管に巻き付けた構造にし、電熱線の巻きピッチを管理することで、発熱密度の管理が出来るようになり、簡便な製造方法で、発熱密度が場所によって差があるヒータを製造することが可能になる。

また、噴射装置の噴射点から遠い場所の伝熱管の内面に、コイル状の物体を設けることや、らせん状の溝を設けることなどにより、伝熱面で液滴を膜沸騰させる場合でも、コイルや溝の箇所に噴霧が捕らえられ、噴霧がすぐには下流へ流れて行かなくなり、伝熱面に接触した状態で尿素水噴霧が滞留するようになる。尿素水噴霧は空間を浮遊している時よりも伝熱面に接触していたときの方が圧倒的に熱が伝わり易いため、噴射点から遠い場所の伝熱管での熱の伝わりがよくなる。熱の伝わりが良くなると、発熱体から尿素水噴霧までの熱抵抗が下がり、同じ熱量を伝える上で必要とする温度差が小さくて済むようになる。これにより、発熱体の温度が上がり過ぎないようになる。発熱体の温度が下がると、外部への熱損失が低減することから、電気ヒータの消費電力を低減することが可能になる。

同時に、この尿素水噴霧を積極的に滞留させる構造を、噴射装置の噴射点から近い場所には設けないことで、噴射点から近い場所での伝熱面温度の低下を防止でき、尿素が析出を起こすことを回避できる。

また、噴射点から遠い場所の伝熱管の内径小さくすることにより、単位面積あたりの噴霧の衝突量が増え、噴霧と伝熱面との熱の伝わりが良くなる。これによる、噴射点から遠い場所での発熱体の温度が低下し、外部への熱損失を低減させることが可能になる。同時に、噴射点から近い場所では、伝熱管の内径を大きくすることで、単位面積あたりの噴霧の衝突量を低減し、伝熱面の温度低下を防止し、尿素が析出を起こすことを回避できる。

また、噴射点から近い場所では、伝熱管を噴射軸と平行な直管にすることで、伝熱管内面に衝突した液滴が跳ね返り、次の伝熱面に衝突するまでの距離を長くすることで、単位面積あたりの全体の噴霧の衝突量を低減し、噴射点から近い場所での温度低下を防止し、尿素が析出を起こすことを回避できる。同時に、噴射点から遠い場所では、伝熱管を曲げることで、伝熱管の中央で噴射軸に沿って噴射された噴霧も確実に伝熱管内面に衝突するようになり、噴射点から遠い場所での発熱体の温度が低下し、外部への熱損失を低減させることが可能になる。

また、伝熱管の先端を、分流ガスが流入する開口部より、噴射点に近付けることで、噴霧が到達する面の中で噴射点に最も近い伝熱面にも、電熱線で加熱することが容易になり、噴射点から最も近い伝熱面での温度低下を防止し、尿素が析出を起こすことを回避できる。

また、分流ガスが流入する箇所の中心軸を、前記伝熱管の中心軸に対して偏心させ、伝熱管内での分流ガスの流れに旋回を生じさせることにより、噴霧の動きにも旋回がかかり、遠心力によって噴霧が伝熱管内面に押し付けられる。これにより、噴霧と伝熱管の熱の伝わりが良くなって、発熱体の温度が下がり、外部への熱損失が低減して消費電力の低減が可能になる。

また、発熱密度を噴射点からの距離に応じて変化させた電熱線を２本平行に備えることにより、１本の電熱線が断線しても、もう一本の電熱線で加熱することにより、尿素の析出を防止しながら、消費電力を抑えて、電気ヒータを稼動し続けることが可能になる。

本発明の第１〜第４の実施形態に係る排気処理装置について、図１〜図１０を用いて以下詳細に説明する。

本発明の第１の実施形態に係る排気処理装置について、図１〜図３を参照しながら説明する。図１は第１の実施形態に係る排気処理装置の全体構成を示す図であって、分流ガス通路の入口を見易くするために、排気外壁の一部を切り欠いた状態で示している。図２は、本実施形態における断面図であり、排気中に直接尿素水を注入する方式と、電気ヒータにより尿素水を気化させる方式との、２つを備える場合の関係を示している。図３は、本実施形態における断面図で、伝熱管の構造が分かる箇所での断面をとっている。

図１において、ディーゼルエンジンから排出された排気ガス２０１は、尿素水２０２もしくは２０３が注入され、その下流の脱硝触媒（図示していない）を通過することで、排気ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）が低減される。ディーゼルエンジンの排気ガスでは、
ＮＯｘと粒子状物質（ＰＭ）が多く含まれていることが問題であるため、排気後処理システムでは、その両方を低減する場合がある。その場合の後処理システムの一例としては、上流から、酸化触媒，フィルター，尿素注入装置，脱硝触媒，スリップアンモニア処理触媒の順に備えることで、排気ガスを浄化する。尿素注入装置の上流にフィルターがある場合は、排気ガス中の煤がフィルターで除去されるため、尿素注入装置に煤が付着することを低減できる。一般に、フィルターを通すことは大きな圧力損失にあるため、この圧力損失を低減するために、通常の排気管部より、フィルターを設置した場所の排気管の径は大きくした方がよい。この径が大きくなった箇所の直後に、尿素注入装置を設置する場合であって、排気中に直接尿素水を注入する方式と、電気ヒータにより尿素水を気化させた上で注入する方式の２つを備える装置の場合、本発明の実施形態の構造が有効となる。

図２は、図１にＡ−Ａの矢印で示した方向の断面図であり、尿素水噴射装置５の断面を含むことで、排気中に直接尿素水を注入する方式を説明するものであり、排気管１に取り付けた尿素水噴射装置５から尿素水２０２を噴射することにより、尿素水噴霧２０６が生成され、この噴霧が排気ガスとともに旋回翼１１がある場所や、下流側の排気管３の区間を通ることで、尿素が十分に混合された状態の排気ガス２０５となり、脱硝触媒に送られる。また、部品１２は噴射装置５を排気管１に取り付けるためのものであるが、排気管１は場合によって非常に高温になることがあるため、取り付け部品１２に冷却用の尿素水などの冷却媒体を循環させることで冷却を行うと、電気部品である噴射装置５を保護することができる。

次に、電気ヒータにより尿素水を気化させた上で注入する方式の注入装置について説明する。この方式の注入装置は、電気ヒータ，噴射装置６及び加水分解触媒１０を含んで構成されている。図１における、伝熱管８と電熱線９が、本実施の形態における電気ヒータを構成するものであり、噴射装置６から噴射された尿素水２０３の尿素水の気化を行う。このために伝熱管８の内周面には、尿素水と接触する伝熱面が構成されている。伝熱管には尿素水噴霧とともにこれを搬送するガスを流すことがよく、排気ガスの一部を分流させた分流ガスを取り込んでいる。この分流ガスの取り込み口１０３を示すため、図１では排気管１の一部を切り欠いて示しているが、実際の製品では切り欠かれてはいない。分流排気の入口１０３には、分流排気導入部品７が接続され、同時にこの部品には尿素水噴射装置６が、取り付け部品１３を介して取り付けられる。取り付け部品１３は部品１２と同様に冷却媒体を循環させることで、噴射装置６を保護することができる。

図３は、図２にＢ−Ｂの矢印で示した方向の断面図であり、尿素水を気化させ、加水分解反応までを起こさせる箇所を示している。分流排気入口１０３（断面の手前になるため図示されないが、その場所を仮想線で示している）から部品７によって排気ガスの一部が導入されると同時に、噴射装置６から噴射された尿素水噴霧２０７は伝熱管８に送られる。部品７は、噴射装置６から尿素水噴霧２０７が噴射されると共に、分流排気入口１０３から排気ガスの一部が導入される室を形成する。ここで気化した状態の尿素は加水分解触媒１０を通過することで、加水分解反応が進み、アンモニアガスを生成する。アンモニアガスが混ざった状態の分流ガス２０４は外壁２と内壁３に挟まれた空間に充満し、固定旋回翼１１の羽根のそばに設けられた開口１０４から吐き出され、主流の排気ガスと混合して、脱硝触媒に送られる。

伝熱管８はフランジ１４を介して部品７と接続される。フランジ１４には伝熱管８の接続側から噴射装置６側に窪んだ凹部が形成されており、この凹部の底部に伝熱管８が接続されている。これによりフランジ１４と伝熱管８との接続部（伝熱管８の入口）を噴射点に近づけることで、噴霧が確実に伝熱管８の中に入るようにしている。尿素水噴霧２０７を構成する液滴は、噴射の際の慣性で放射状に広がるが、フランジ１４が平板状になっていると、伝熱管８の入口は噴霧２０７の頂点である噴射点から遠くなり、伝熱管８からはみ出て飛散する噴霧が生じ易くなる。一方、フランジ１４と部品７との取り付け部を噴射点に近づけると、分流ガスの入口１０３に干渉してしまう。このため、伝熱管８の入口のみ噴射点に近づけることで、噴霧の飛び散りを防止して、噴霧の気化効率を高める。同時に、伝熱管８の入口が噴射点に近付くことは、電熱線９も噴射点に近づけることが可能になり、噴射点近くの発熱量を高めることが可能になる。さらに、フランジ１４は薄肉の板にすることで、伝熱管８が加熱されて温度上昇した際に生じる熱膨張を受けて弾性変形し、熱応力の発生を緩和する働きも持つ。

伝熱管８は噴霧２０７の噴射軸と同軸な直管で出発しているが、ここに流入する分流ガスは入口１０３を紙面に対して垂直に導かれるが、入口１０３の中心は伝熱管８の中心軸と直交していない。このような関係にある場合、入口１０３を通過する流れは伝熱管８を流れるにあたって、角運動量を持つことになり、伝熱管８のガスの流れに旋回を起こすことが可能になる。ガスの流れに旋回がかかっていると、その流れの影響を受ける噴霧にも旋回がかかることになり、その遠心力によって、噴霧は伝熱管８の内面に押し付けられるようになる。噴霧が伝熱面の方に押し付けられ、接触するようになると、熱が伝わりやすくなり、気化性能が向上する。

伝熱管８には１本のシース型の電熱線９が外側に巻き付けられおり、電熱線９の断面構造としては、表面のシースの内側に電気的な絶縁材を充填した上で、適切な電気抵抗の導電線が存在しており、その導電線に電流が流れる際に、電流の２条と電気抵抗の積に比例した発熱を生じる。また、電熱線に電流を供給するための電線と電熱線を接続するための端子部１０１を片側のみに設けるため、シースの断面内に２本の発熱を行う導電線を設けることも可能である。その他、シース内の導電線を１本にして、その導電線の一方の先端はシースに接することで電気的に短絡させ、シース部材にも電流が流すことで、１本の電熱線の端子部１０１を片側のみにすることが可能である。

電熱線９の伝熱管８に巻き付けるにあたってのピッチは、伝熱管８の上流側を最も蜜にしており、電熱線の単位長さあたりの発熱量が一定の場合、このピッチを蜜にして巻いたところが、伝熱管の単位表面積あたりの発熱量が高くなる。１点の噴射点から噴射された噴霧が直接到達して、噴霧が伝熱管に衝突する箇所としては、本実施の形態の場合、図３の噴霧２０７を表す破線が、伝熱管８の内面と交錯する場所で、最も高い衝突密度となり、この場所の電熱線の巻きピッチを最も蜜にすることが、尿素の析出防止に役立つ。水のように単一の成分からなる液体を気化させる場合は、与えた熱に応じて気化が生じるため、均一な熱流束にした方が、伝熱面全体を有効に使えるので、望ましいが、尿素水に関しては、気化のプロセスが悪いと析出を起こすという特殊な問題を抱えている。このため、伝熱管８の内面である伝熱面の単位面積あたりの発熱量を不均一にして、伝熱管の肉厚方向に流れる熱の熱流束の高い部分を作り、熱伝導に必要な温度差を増加させることになっても、析出防止を優先させることが有効となる。伝熱面に衝突する噴霧の衝突密度が高い所では、噴霧の衝突に伴い、伝熱面から気化熱を奪うために温度低下しやすくなる。このような場所で電熱線の発熱密度を上げることは、伝熱面温度を上げることに役立ち、一定以上の温度に保つことが出来れば、液滴と固体面との伝熱形態が膜沸騰にすることが出来、尿素水が液膜となって伝熱面に付着することを防止できるようになり、析出を防止する効果が生まれる。また、発熱密度を上げることには弊害も存在するため、発熱密度以外に、噴射点近くの伝熱管に衝突する噴霧の単位面積あたりの衝突量を減らすために、伝熱管８の内径を、下流側に比べて太くしている。この伝熱管の内径に変化を付け、噴射点の近くでは径を大きくすることも、伝熱面温度を膜沸騰温度以上に保つために役立り、尿素の析出防止効果がある。

伝熱管８は、直管部の後にテーパを付けて径を小さくすることで、噴射点から遠ざかって、噴射点から直接衝突する噴霧が減少したところの衝突密度を、再び高めることが可能になる。これは、テーパの内面が噴射点側を向いているためであり、噴霧が伝熱面に当たり易くなることで、伝熱性能が向上する。

伝熱管８はテーパ状に径を絞ったことで、その後は内径が小さい形状となるが、噴霧が伝熱面で膜沸騰と起こしている場合、伝熱面から弾かれた液滴は対面する伝熱面に衝突することになり、管径が小さいことは、対面する伝熱面が近いことを意味し、頻繁に液滴が伝熱面に衝突し易くなることで、伝熱性能が向上する。

さらに、伝熱管８に、曲げ部を設けることにより、直管部の中心を通過していた液滴も、曲がり部で内壁面に衝突することになり、伝熱面に一度も接触することがない液滴をなくすことが出来、噴霧の気化率を向上させることに役立つ。また、噴射点から遠ざかった場所に曲げを設けることで、噴霧の衝突の低下を補い、電熱線９から噴霧に熱を伝えるための伝熱抵抗を下げることで、電熱線９の温度上昇を抑えることが出来、熱損失の低減につなげることが出来る。また、電熱線９の巻きピッチも噴射点近くよりは大きなピッチにすることで、電熱線９の温度低下が図られる。同時に、伝熱管に曲げが含まれていることにより、熱応力を低減し、伝熱管の耐久性を高める効果もある。

伝熱管８は出口フランジ１５を介して煙道部材２に接続され、そこに配置した加水分解触媒１０にガスを通すことにより尿素の加水分解反応を促進する。尿素が分解される化学反応をより詳細に記述すると下記のような２段階の反応に分けることが出来る。

(ＮＨ₂)₂ＣＯ → ＨＮＣＯ＋ＮＨ₃
ＨＮＣＯ＋Ｈ₂Ｏ → ＮＨ₃ ＋ＣＯ₂
すなわち、尿素は一旦、イソシアン酸（ＨＮＣＯ）とアンモニア（ＮＨ₃ ）に分解し、さらに、イソシアン酸（ＨＮＣＯ）が水（Ｈ₂Ｏ ）と反応して、残りのアンモニアと二酸化炭素になるというものである。この反応のうち、前半が熱分解反応であり、後半が加水分解反応となる。熱分解反応は吸熱反応であり、尿素を加熱することによって起こすことができる。一方、加水分解反応は発熱反応であり、単に温度を上げることだけでは反応が進行しにくく、触媒が存在することで、大幅に反応速度が向上する。加水分解触媒上で熱分解反応と加水分解反応をまとめて行う場合は、発熱反応で生じた熱を吸熱反応に渡すことが出来るので効率がよいが、反応促進のために加熱するには工夫を必要とする。図３の形態では加水分解触媒１０に対する加熱は行っていないが、伝熱管８の中で尿素の熱分解反応までを起こしておけば、触媒上では発熱反応のみを起こすことになるので、加熱を行わなくても反応が促進する。

加水分解触媒１０は、セラミックによるハニカムに触媒を塗布して製造する方法と、金属の薄板を細かく折り曲げて表面積を増やしたものに、触媒を塗布して製造する方法がある。セラミックは表面積を増やした構造が作り易いという利点をもち、金属触媒は振動などの外力を受けても壊れにくいという利点を持つ。いずれの構造にしても、表面積を増やす必要があるため、分流ガスが流れる上で、圧力損失を生じる。この圧力損失が大きいと、分流ガスの流量が減ってしまう。分流ガス流路の体積が決まっている場合、そこを流れるガスの流量が低下すると、入ってから出るまでの時間が多くかかることになり、そこに噴射している尿素がアンモニアとして出て来るまでの時間も同時に時間がかかるようになる。この時間の遅れが大きいと、排ガスの変化に応じてアンモニアの添加量を制御する場合、制御性の悪さをもたらす。このため、加水分解触媒は断面積を増やすことで、圧力損失を低減することが有効となる。このため、その手前の伝熱管８の内径は小さくしているが、加水分解触媒１０の直径はそれより大きくしている。

加水分解触媒を通過することで尿素からアンモニアが生成され、このアンモニアと分流排気ガスが混ざった状態のガス２０４は、固定旋回翼１１のそばにある開口部１０４から出て、内側排気流路４の中を流れている主流の排気ガスと混合する。固定旋回翼１１は、そのもの自身は静止したものであるが、ここにガスが通過することで、ガスの流れに旋回を起こす。本実施の形態では、旋回翼１１は８枚の羽根から成っている。羽根の周りにガスが流れる際、羽根の角度によって流れが曲げられ、その集合した流れが旋回流になるのであるが、個々の羽根の周りでは、流れが曲がりきれなかったことによる剥離渦が生じる。分流ガスの出口である開口１０４は、この剥離渦が生じているところに設けるのがよく、剥離渦の効果によって、短い区間で主流の排ガスとアンモニアを含んだ分流ガスをよく混ぜることが出来る。このため、開口部１０４は、旋回翼１１の羽根ごとに設け、８枚羽根であれば、８箇所設けることが好ましい。

この他、本発明の考え方を適用するのであれば、分流ガスを導入することなく、同様の形状の伝熱管に尿素水を噴射して、これを気化し、排ガスに混合させることも可能である。

また、伝熱面の単位面積あたりの発熱量を変化させる手段としては、電熱線の巻きピッチを変えるのではなく、発熱する導電線の単位長さあたりの電気抵抗を場所によって異なるようにすることでも実現可能である。この場合、連続した電熱線の間では、流れる電流はどこも同じであるために、電気抵抗に比例した発熱が得られる。すなわち、噴射点に近い場所の電熱線は、その内部の導電線の径を細くすることで単位長さあたりの電気抵抗が小さくなり、単位長さあたりの発熱量が増加する。このように構成した電熱線を等ピッチで伝熱管に巻けば、単位伝熱面あたりの発熱量を、噴射点に近いところで高めることができる。

その他、噴射点から近い場所と、遠い場所で別のヒータを設置し、噴射点から遠い側のヒータの伝熱面積あたりの発熱量が小さくなるようにすることで、熱損失を低減することも可能である。

本発明の第２の実施形態に係る排気処理装置について、図４を参照しながら説明する。図４は、尿素水注入装置のうちの電気ヒータに係る部分のみを表しており、図３と同じ断面位置での図象となる。また、第１の実施形態と同じ機能の部品は符合に同じ数字を付け、その後にｂの文字を付けることで、第１の実施形態と区別するが、機能が同じであるため説明は省略する。

本実施の形態では、２本の電熱線１６および１７を使用し、それぞれの電熱線が噴射点の近くでピッチが蜜で、噴射点から遠い場所で巻きピッチを大きくしている。このように構成することで、普段は電熱線１６，１７が必要な電力の半分ずつを分担して消費し、必要な発熱を行い、どちらか一方の電熱線が断線した場合は、もう一方の電熱線が必要な電力の全てを消費し、必要な発熱を行う。このような構成にすることで、１本の電熱線が断線するトラブルが生じた場合にも、析出防止と消費電力低減を図った能力を損なうことなく、電気ヒータの役割を果たすことが出来る。

さらに、本実施の形態では、伝熱管１９の内側に、らせん状のコイル１８を挿入している。このコイル１８は、伝熱管１９の内面に突起を設けたことと同じになり、これに衝突した液滴は下流へ跳ねて行きずらくなり、液滴をその場に留める効果を持つ。液滴がその場に留まれば、たとえ膜沸騰であっても、伝熱面との接触回数が増えることにより、熱がよく伝わるようになり気化率が向上する。同時に、電熱線１６，１７の温度も低下させられるので、熱損失の低減が図れる。このため、このコイル１８の効果を有効に活用するため、伝熱管１９の径が縮小するテーパ部の後に直線部分を設け、この直線部から内面にコイル１８が配置される構造にしている。噴射点に近いところにこのコイルを設けると、過剰な噴霧が滞留することで、尿素が析出する可能性が生じるため、噴射点から離れたところからコイルが設置されるようにすることが好ましい。また、この伝熱管１９内を流れる分流ガスは、中心軸より左側に偏心した所から流入するため、伝熱管１９の垂直部を流れるときには右ネジの方向に旋回がかかっている。このため、コイル１８も右ネジの方向にねじってあることが好ましく、コイル１８に沿う流れが旋回を強めることで、噴霧にかかる遠心力を強め、液滴と伝熱面との接触を増やすことにつながる。分流ガスに生じた旋回流は、曲がり部を通過することで弱まるが、それでも、コイル１８があることで、噴霧を滞留させる働きは生じるため、コイル１８は伝熱管１９の直線部から曲がり部にかけて設置することが好ましい。

伝熱管１９を通過した後の分流ガスと噴霧は加水分解触媒１０ｂに送られるが、加水分解触媒は圧力損失低減のために直径を大きくすることが好ましいため、本実施の形態では、伝熱管の最後に拡管部を設けている。また、加水分解触媒１０ｂに到達するまでに気化しきれなかった噴霧を最後に気化させるため、加水分解触媒を納めた管の外側にまで電熱線１６，１７を巻き、全ての噴霧が気化できるようにしている。加水分解触媒の外側からも加熱を行う場合は、金属を担体とした触媒の構成することが、伝熱特性の向上のために好ましい。

この他、コイル１８を設けるのではなく、伝熱管１９の内面にらせん状の溝を設けることで、噴霧を滞留させ、伝熱性能を向上することも可能である。

本発明の第３の実施形態に係る排気処理装置について、図５〜図７を参照しながら説明する。図５は、第３の実施形態に係る排気処理装置のうち、尿素水の気化を行う部分のみを取り上げ、その構造の正面図になる。図６は、図５のＡ−Ａ矢視断面図を表し、図７は、さらに電熱線まわりの部品だけを抜き出して示した外観図である。また、これまで同様、同じ機能の部品に関しては符号の数字を同じにし、その後にｃを付けて区別する。

図５において、分流排気ガスは部品７ｃに設けられた入口１０３ｃから流入し、尿素水の注入・気化を受け、加水分解触媒１０ｃを通過した後、図示していない主流の排ガスに混合して、脱硝処理を行う。本実施の形態では、分流通路を形作る外管２３の内側に電熱線９ｃを配置する。外管２３の入口側はフランジ１４ｃと接合されていて、このフランジ１４ｃが部品７ｃと接続している。また、外管２３の出口側はフランジ２１と接合されていて、このフランジ２１は、加水分解触媒を保持する管２４のフランジ２２と接続する。また、電熱線９ｃはフランジ２１，２２で挟み込むことで、シールをしながら管路の外部から内部へと、つなげており、端子部１０１ｃで電力を供給する電線と接続する。

図６の断面図は、外管２３の内部を示しており、外管２３には電熱線９ｃと、内筒１９、および内筒の終端の板２０を配置している。この電熱線９ｃは内筒１９に巻き付けた構造になっていて、噴射点に近い所ではピッチを蜜に巻き、噴射点から遠いところではピッチを大きくして巻いている。また、外管２３の入口側はフランジ１４ｃより先に伸びていて先端部１０５で分流ガスの流れに旋回を与える案内羽根の役割を果たす。部品７ｃの上部に図示していない尿素水噴射装置があり、そこから尿素水が噴射され、噴霧２０７を形成する。

内筒１９および内筒端板２０は多孔板によって構成し、これに衝突した噴霧の一部はすり抜けて通過可能にしている。このようにすることで、内筒１９の内面が伝熱面として使えることの他に、電熱線９ｃの表面および、外管２３の内面、さらには内筒１９の外側の面も伝熱面として使えることになる。このため、短な流路区間に大きな伝熱面積を得ることが出来、伝熱性能を飛躍的に向上させることが出来る。同時に、電熱線は９ｃのピッチを噴霧の衝突密度に合わせて調整してあることで、電熱線自身は単位長さあたりの発熱量が一定でありながら、尿素の析出防止と電熱線の過熱防止が図られる。また、電熱線９ｃが外管２３の伝熱面より内側にあることで、外管２３の外側の面を加熱する必要がなくなり、外側面の温度低下を図ることができ、熱損失の低減が図られる。また、多孔板で構成した内筒１９によって伝熱面積を増加させたことも、熱損失が生じる外側の面積を低下させることにつながっている。さらに、噴霧２０７が直接電熱線９ｃに衝突する場合に比べ、内筒１９が存在する場合の方が、電熱線９ｃにかかる熱負荷が軽減される。すなわち、電熱線９ｃの局所的な表面では、液滴が衝突する瞬間とそれ以外の伝熱面が乾いている時間がある。液滴が衝突した瞬間は、熱が奪われることで電熱線９ｃの表面温度は瞬間的に下がり、それが過ぎると再び温度上昇するということを繰り返す。このため、温度変化が大きく、繰り返しの熱応力が発生することになる。これは電熱線９ｃの耐久性を低下させる要因になるが、内筒１９が電熱線９ｃに直接衝突する噴霧を低減することで、電熱線
９ｃの耐久性を向上させている。また、内筒端板２０は多孔板であることで分流ガスが通過可能にすると同時に、内筒１９の中心にあった噴霧が衝突できるようにすることで、気化率の向上を図っている。

加水分解触媒１０ｃを保持する管２４は外管２３と同じ外径であって部品の共通化を図っているが、流体が通過可能な断面積としては、内筒１９の内側よりも広くなる。これは、内筒１９の肉厚と、電熱線９ｃの太さの分もガスの流通に使えるためであり、これによって加水分解触媒での圧力損失を低減するとともに、触媒の表面積を十分にもたせて、十分なアンモニアの生成を図っている。

図７は、電熱線まわりの部品だけを抜き出した外観図であるが、外管２３の先端部105の形状がとくに良く分かるように示している。先端部１０５は外管２３に、４箇所の切欠きを設けており、この切欠きはそれぞれ管の中心軸に対して偏心している。このため、この切欠き部を通過して流入する分流ガスは中心に対して偏心して流入し、このことがガスの旋回流を作り出す。また、この旋回方向は図５に示した入口部１０３ｃの偏心によって生じる旋回に合わせることで、相乗的に旋回を起こさせることが出来る。

本発明の第４の実施形態に係る排気処理装置について、図８〜図１０を参照しながら説明する。図８は、第４の実施形態に係る排気処理装置のうち、尿素水の気化を行う部分のみを取り上げ、その構造の正面図になる。図９は、図８のＢ−Ｂ矢視断面図を表し、図
１０は、さらに電熱線まわりの部品だけを抜き出して示した外観図である。また、これまで同様、同じ機能の部品に関しては符号の数字を同じにし、その後にｄを付けて区別する。

図８において、分流排気ガスは部品７ｄに設けられた入口１０３ｄから流入し、尿素水の注入・気化を受け、管路２７の後に図示していない加水分解触媒を通過し、その後、図示していない主流の排ガスに混合して、脱硝処理を行う。

図９の断面図は、内部構造を示しており、外管２３ｄの内側にテーパ形の内筒２５があり、それに巻き付ける形で電熱線９ｄがある。電熱線９ｄと外管２３ｄの間には電熱線のピッチを固定するための板２９が４枚、９０度おきに入っている。また、内筒２５の終端には端板２６がある。

図１０では、電熱線９ｄとテーパ形の内筒２５および、ピッチ固定用板２９の関係を外観図で示している。

本実施の形態では内筒２５が先に行くほど径が小さくなるテーパ形になっていることにより、噴射点から遠のく面でも、噴霧がよりあたり易くなっている。内筒２５と端板２６は多孔板で構成し、電熱線９ｄの表面や、外管２３ｄの内面も伝熱面として使えるようになっている。また、内筒２５がテーパ形で、外管２３ｄが直管であることにより、電熱線
９ｄと外管２３ｄの間にすき間が生じるが、ピッチ固定用の板２９が、電熱線９ｄの熱を外管の２３ｄの内面に伝える働きも行うため、外管２３ｄが伝熱面としての役割を十分に果たすと同時に、尿素の析出を避けることも出来る。

また、電熱線９ｄを外部に引き出すためのフランジ２１ｄ，２８にガスケット３０を用いることにより、シール性が向上し、分流ガスが外に漏れなくなる。

ヒータの区間を過ぎたガスはフランジ２８に接続している曲がり管２７を通過し、図示していない加水分解触媒に送られるが、内筒２５がテーパ形になっていることを利用し、外管２３ｄより曲がり管２７は径を細くしている。曲がり管は径が細い場合の方が曲げ半径を小さくしやすく、機器の小型化に役立つ。このため、曲げ通路での管径を小さくしておけば、小型化が図られ、この後、流路径を広げれば圧力損失も大きくならなくて済む。さらに、管路２７が細くなっていることにより、分流ガスは内筒２５をすり抜けて、その後管路２７に流入するということがおきにくくなっている。これにより、分流ガスは大部分が内筒２５の内側を流れることになる。この場合、内筒２５がテーパ形で径が細くなる程に分流ガスの流速が増加することになり、その入口で旋回が生じていれば旋回速度も増加することになる。これによって噴霧に対する遠心力も強まるので、噴霧を伝熱面に押し付ける力が強まり、膜沸騰の伝熱形態を採りながらも高い伝熱性能を持たせることが可能になり、これによって、尿素水の気化性能の向上と消費電力の低減が可能になる。

本発明の第１の実施形態に係る排気処理装置の全体構成を示す図である。 本発明の第１の実施形態に係る排気処理装置のＡ−Ａ矢視断面図である。 本発明の第１の実施形態に係る排気処理装置の図２におけるＢ−Ｂ矢視断面図である。 本発明の第２の実施形態に係る尿素水気化部の図３と同様な箇所の断面図である。 本発明の第３の実施形態に係る尿素水気化器の正面図である。 本発明の第３の実施形態に係る尿素水気化器の図５におけるＡ−Ａ矢視断面図である。 本発明の第３の実施形態に係る尿素水気化器のうち、電熱線周りの部品のみの鳥瞰図である。 本発明の第４の実施形態に係る尿素水気化器の正面図である。 本発明の第４の実施形態に係る尿素水気化器の図８におけるＢ−Ｂ矢視断面図である。 本発明の第４の実施形態に係る尿素水気化器のうち、電熱線周りの部品のみの鳥瞰図である。

符号の説明

１，２，３ 排気管
４ 排気内側流路
５，６ 尿素水噴射装置
７ 分流排気導入部品
８，１９ 伝熱管
９，１６，１７ 電熱線
１０ 加水分解触媒
１１ 旋回翼
１２，１３ 噴射装置取り付け部品
１４ 伝熱管入口フランジ
１５，２１ 伝熱管出口フランジ
１８ コイル
２５ 内筒
２０，２６ 内筒端板
２２ 加水分解触媒保持部フランジ
２３ 分流通路外側管
２４ 加水分解触媒保持部
２７ 分流ガス曲げ通路
２８ 分流ガス曲げ通路フランジ
２９ 電熱線ピッチ固定板
３０ ガスケット
１０１ 電熱線端子接続部
１０３ 分流排気入口
１０４ 分流排気出口
１０５ 分流ガス旋回発生部
２０１，２０５ 排気ガス
２０２，２０３ 尿素水
２０４ アンモニアを含む分流ガス
２０６，２０７ 尿素水噴霧

Claims (9)

1. 尿素水を噴霧状に噴射する噴射装置と、前記噴射装置から噴射された尿素水と接触する伝熱面を有し尿素水を加熱して気化する電気ヒータとを備え、エンジンの排気煙道に尿素水から生成されるアンモニア成分を注入する排気処理装置用の尿素水注入装置において、
   前記電気ヒータの前記伝熱面の単位面積あたりの発熱量を、前記噴射装置の噴射点から遠い場所では、近い場所より、低くすることを特徴とする排気処理装置用の尿素水注入装置。
2. 尿素水を噴霧状に噴射する噴射装置と、前記噴射装置から噴射された尿素水を加熱して気化する電気ヒータとを備え、エンジンの排気煙道に尿素水から生成されるアンモニア成分を注入する排気処理装置用の尿素水注入装置において、
   前記電気ヒータは、電熱線を発熱体とし、この電熱線は、連続した１つの電熱線の中で、前記噴射装置の噴射点に遠い場所での単位空間あたりの発熱量を、前記噴射点から近い場所での単位空間あたりの発熱量より低くすることを特徴とする排気処理装置用の尿素水注入装置。
3. 請求項２に記載の排気処理装置用の尿素水注入装置において、
   前記電気ヒータは伝熱管に電熱線を巻いた構造をしており、前記噴射装置の噴射点から遠い場所では、近い場所より、電熱線を巻くピッチを大きくすることで、単位空間あたりの発熱量を低くすることを特徴とする排気処理装置用の尿素水注入装置。
4. 請求項３に記載の排気処理装置用の尿素水注入装置において、
   前記噴射装置の噴射点から遠い場所の前記伝熱管の内面にコイル状の物体を設けることにより、噴射点から遠い場所では尿素水噴霧が滞留し易くしたことを特徴とする排気処理装置用の尿素水注入装置。
5. 請求項３に記載の排気処理装置用の尿素水注入装置において、
   前記噴射装置の噴射点から遠い場所では近い場所より、伝熱管の内径小さくしたことを特徴とする排気処理装置用の尿素水注入装置。
6. 請求項３に記載の排気処理装置用の尿素水注入装置において、
   前記噴射装置の噴射点から近い場所では、伝熱管を噴射装置の噴射軸と平行な直管にし、前記噴射装置の噴射点から遠い場所では、伝熱管を曲げたことを特徴とする排気処理装置用の尿素水注入装置。
7. 請求項１に記載の排気処理装置用の尿素水注入装置において、
   前記電気ヒータは前記伝熱面が形成された伝熱管を介して尿素水噴霧を加熱し、この伝熱管には排気ガスの一部を分流させる構成とし、
   前記伝熱管の入口部に前記排気ガスの一部が流入すると共に前記噴射装置から尿素水噴霧が噴射される室を有し、
   前記伝熱管の入口部は前記室の内部に向けて窪んだ凹部に設けることにより、前記伝熱管の入口部を尿素水噴霧の噴射点に近付けたことを特徴とする排気処理装置用の尿素水注入装置。
8. 請求項１に記載の排気処理装置用の尿素水注入装置において、
   前記電気ヒータは前記伝熱面が形成された伝熱管を介して尿素水噴霧を加熱し、この伝熱管には、前記排気ガスの一部を分流させる構成とし、この分流ガスが流入する箇所の中心軸は、前記伝熱管の中心軸に対して偏心させることで、前記伝熱管内での分流ガスの流れに旋回を生じさせることを特徴とする排気処理装置用の尿素水注入装置。
9. 請求項２に記載の排気処理装置用の尿素水注入装置において、
   前記電熱線を２本備え、各々の電熱線は各空間での単位体積あたりの発熱量が等しいことを特徴とする排気処理装置用の尿素水注入装置。
   

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