JP2009062861A

JP2009062861A - 排気処理用の尿素水注入装置

Info

Publication number: JP2009062861A
Application number: JP2007230921A
Authority: JP
Inventors: Akira Nishioka; 明西岡; Kiyoshi Amo; 清天羽; Hiroshi Yokota; 比呂志横田; Teruhiko Murakami; 輝彦村上
Original assignee: Hitachi High Technologies Corp; Hitachi High Tech Corp
Current assignee: Hitachi High Tech Corp
Priority date: 2007-09-06
Filing date: 2007-09-06
Publication date: 2009-03-26
Anticipated expiration: 2027-09-06
Also published as: JP4887245B2

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、電気ヒータの消費電力を低減する。
【解決手段】
シースヒータの非発熱部を、排気煙道に連なる部材にシールして固定することにより、シースヒータの発熱部を煙道の内部空間に配置し、さらにシースヒータの発熱部を中央で折り返した２条巻きの形状にして、尿素水の噴霧が同心円状にかかる関係にすることで、尿素水を気化することにより、尿素水噴霧が低温壁面と接触することを防ぐことで、尿素の析出を防止し、ヒータの発熱が外部に逃げることを防止することで、消費電力を低減する。
【選択図】図６

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煙道内に噴射し、排気の熱を利用して尿素水を気化し、尿素の加水分解反応で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）。

尿素水注入装置から注入された尿素は以下の加水分解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（＝選択還元型触媒）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、比較的低温時は下記の脱硝反応が主として生じる。

ＮＯ＋ＮＯ₂＋２ＮＨ₃ → ２Ｎ₂＋３Ｈ₂Ｏ
尿素の加水分解反応は、高温の排ガス中で起きるが、排ガス温度が比較的低い時は、排ガス中では十分に進行せず、脱硝触媒上で起きるようになる。このため、低排気温度時、脱硝触媒は、加水分解反応と脱硝反応の２つの機能を負担する。化学反応は全般に、温度が低いと反応速度が下がるため、低排気温度時の脱硝触媒は、負担増加と反応速度低下の二重の影響で、脱硝性能の大幅な低下を生じる。

また、排ガス温度が高い場合は、排気煙道に尿素水を直接噴射しても、排ガスの熱による尿素水の気化は十分行われるが、排ガス温度が低下した場合は、尿素水噴霧の完全な気化は困難になる。その場合、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。尿素の析出は、尿素が固体となって煙道に留まることであり、その分、脱硝反応に必要な還元剤が不足し、脱硝性能の低下を導く。さらに、析出物が堆積した状態で排気温度が急上昇した場合、析出していた尿素の急速な昇華が生じ、脱硝反応に必要な量以上のアンモニアが生じ、アンモニアを外部へ排出してしまう危険性が生じる。

この問題を解決するため、尿素水を強制的にアンモニアガスにした上で排気ガス中に注入する技術が発明されている。特許文献２に記載の排気ガス処理装置では、尿素水噴射装置に電気ヒータと、加水分解触媒を加えることで、尿素水の気化と、尿素のアンモニア化を促進し、低排気温度時の脱硝性能の向上を図っている。

特許第３６８５０６３号公報特開２００４−３５３５２３号公報

エンジンの排気処理装置において、尿素水の気化を電気ヒータで行うと、電力を消費するために、エンジンのエネルギー効率が低下する他に、電気ヒータを使わない場合に比べ、エンジンに付随した発電機の発電量を増やす必要が生じることから、発電機の大型化が必要になる等の設備負担増大の問題もある。この問題を低減するには、尿素水の気化のために消費する電気ヒータの電力を削減する必要がある。

尿素水の注入量が一定条件の下に、電気ヒータの電力を削減した場合、尿素水に与えられる熱量が低下することから気化率が低下するとともに、気化出来なかった尿素が析出物となって、煙道内に固形物として堆積するおそれを生じる。尿素水は２００℃程度の壁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形物に変質し、壁面からの除去がより困難になる。尿素の析出が続くと、固形物の堆積により流路が閉塞し、尿素水注入装置としての機能を果たさなくなる恐れもある。

物理的に、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。

このような条件下で、電気ヒータの消費電力を低減する手段として、ヒータの発熱が尿素水の気化に使われずに損失になっている分に着目し、熱損失を低減することで、消費電力を低減することが考えられる。電気ヒータの熱損失は、発熱が外部に放熱されることで生じることから、電気ヒータの発熱を、尿素水噴霧が存在する煙道の内部空間で行うことが考えられる。ただし、電気ヒータに電力を供給するための電気配線は、排気煙道の外部にあることから、電気配線を接続する電気ヒータの端子は煙道の外部空間に配置する必要がある。また、電気ヒータの端子と排気煙道は、漏電防止の観点から、電気的に絶縁することが望ましい。電気的な絶縁を行うためには、絶縁しようとする箇所に樹脂のような非金属の材質を用いることが有効であるが、電気ヒータは自身が発熱することから高温になり、同時に排気煙道も高温になることがあることから、樹脂のような高温に耐えられない材質を使用することは出来ない。また、セラミックのような材質で電気的な絶縁を図ることも考えられるが、排気煙道と電気ヒータの間をセラミック材質のものでシールすることは困難であり、排気ガスが漏洩する問題を生じる。特に、尿素水噴霧を気化する空間では、アンモニアガスが発生することから、排気ガスの漏洩は、アンモニアガスの漏洩につながるおそれがあり、排気煙道と電気ヒータの間のシールには、高い信頼性が必要とされる。このため、電気ヒータの発熱を煙道の内部空間で行うことで、熱損失を低減し、消費電力の低減を図ることも非常な困難を伴う。

このため、尿素水を気化するためのヒータは、尿素の析出を回避し、気化性能を維持した上で、低消費電力化することとは非常に困難な課題となっていた。

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用の尿素水注入装置において、前記電気ヒータは、発熱部の両端に、非発熱部と、導線と接続ための端子とを有し、前記発熱部と非発熱部とは、前記端子とは電気的に絶縁される保護管で覆われるシースヒータで構成し、前記シースヒータの発熱部を排気煙道の内部となる空間に配置し、両端の端子を排気煙道の外部となる空間に配置し、両端の非発熱部を排気煙道に連なる部材にシールして固定する構造にする。

また、シースヒータを固定する部材と、噴射装置を固定する部材を共通化させることにより、シースヒータを固定する場所が、尿素水の噴射点に近付き、シースヒータの部位の中でも尿素水噴霧によって冷やされた温度がより低い場所を固定するようにする。これにより、シースヒータの発熱が、固定部材の熱伝導によって外部に伝わり、熱損失になることを低減できるようになる。

また、シースヒータの非発熱部を固定する構造に、コンプレッション・フィッティングを用いることにより、排気ガスを外部に漏れさせないためのシールの機能と、シースヒータを固定する機能の両方を兼ねることが出来るようになる。

また、シースヒータの発熱部を、中央で折り返した２条巻きのコイル形状にすることで、両端を同じ側にし、さらに、その両端の非発熱部の向きを揃えることで、噴射装置を固定する部材と共通の部材に非発熱部を固定するための構造が、効率的になる。

また、シースヒータの発熱部により形成したコイル形状の中心軸を、噴射装置の噴射軸上に配置することで、尿素水の噴霧の円周方向に対して均一にシースヒータが存在するようになり、シースヒータの熱負荷の均一化が図れ、熱損失の低減が可能になる。

また、シースヒータの発熱部により形成したコイル形状の中心軸を、噴射装置の噴射軸上に配置した上で、シースヒータのコイル形状を、尿素水の噴射点に近い側の巻きピッチは小さく、噴射点から遠い側の巻きピッチは大きくすることで、噴射点からの距離に応じて変化する噴霧の存在密度に応じてシースヒータが存在するようになり、シースヒータの熱負荷の均一化が図れ、熱損失の低減が可能になる。

また、シースヒータの発熱部により形成したコイル形状の中心軸を、噴射装置の噴射軸上に配置した上で、シースヒータのコイル形状を、尿素水の噴射点に近い側の巻き直径は大きく、噴射点から遠い側の巻き直径は小さくすることで、コイルの中心軸周りに生じる空間を狭めて、シースヒータの発熱部に噴霧がよりかかり易くすることで、シースヒータの発熱が噴霧に伝わるまでの熱抵抗の低減を図り、熱損失の低減が可能になる。

また、シースヒータと噴射装置を、排気煙道を分流させた箇所に設置することにより、尿素水噴霧を気化しながら排気ガスで搬出することが可能になり、尿素の停滞による析出を防止することが可能になる。

また、シースヒータの発熱部表面の少なくとも一部を、尿素の加水分解を促進する機能を有する触媒成分で被覆することにより、尿素水の気化と、尿素の加水分解反応を同時に起こすことが可能になり、尿素のアンモニア化を促進することで、尿素の析出防止が可能になる。

尿素水噴霧を電気ヒータで加熱・気化させるに当たって、発熱部と非発熱部が電気的に絶縁された保護管で覆われたシースヒータを用い、発熱部は排気煙道の内部空間に配置し、両端の端子は排気煙道の外部に配置し、非発熱部を排気煙道に連なる部材にシールして固定する構造にすることにより、排気を外部に漏らすことなく、煙道内部にヒータの発熱部を配置することが可能になる。また、電気ヒータの電力を供給する際の、煙道との電気的な絶縁に関しても、排気煙道に連なる部材と接触しているのは、シースヒータの絶縁された保護管に覆われている非発熱部であることから、電気的な絶縁が保たれ、かつ、ヒータの発熱部や排気煙道の高温に耐えて、シールを保つことが可能になる。これにより、電気配線との接続端子を煙道の外部空間に配置しながら、ヒータの発熱部は煙道の内部空間に配置しても排気ガスを外部に漏らすことなく、かつ、煙道と端子は電気的に絶縁することを満たすことが可能になる。また、発熱部が煙道の外側にある場合は、内部に熱を伝えるための熱抵抗が介在してしまい、それに応じたヒータの温度上昇が必要となり、熱が逃げやすくなるのに対し、発熱部を煙道の内部空間に配置することは、内部へ熱を伝えるための熱抵抗をなくすと同時に、外部に熱が逃げることに対する熱抵抗は増すので、格段に熱損失が低減する。また、シースヒータの発熱部を煙道内部に配置するために、非発熱部を煙道部材で固定することにより、固体の熱伝導でヒータの発熱が外部に逃げることを抑えられる。

本発明では、尿素水噴霧を電気ヒータで加熱・気化させるに当たって、発熱部と非発熱部が電気的に絶縁された保護管で覆われたシースヒータを用い、発熱部は排気煙道の内部空間に配置し、両端の端子は排気煙道の外部に配置し、非発熱部を排気煙道に連なる部材にシールして固定する構造にすることにより、排気を外部に漏らすことなく、煙道内部にヒータの発熱部を配置することが可能になる。また、電気ヒータの電力を供給する際の、煙道との電気的な絶縁に関しても、排気煙道に連なる部材と接触しているのは、シースヒータの絶縁された保護管に覆われている非発熱部であることから、電気的な絶縁が保たれ、かつ、ヒータの発熱部や排気煙道の高温に耐えて、シールを保つことが可能になる。これにより、電気配線との接続端子を煙道の外部空間に配置しながら、ヒータの発熱部は煙道の内部空間に配置しても排気ガスを外部に漏らすことなく、かつ、煙道と端子は電気的に絶縁することを満たすことが可能になる。また、発熱部が煙道の外側にある場合は、内部に熱を伝えるための熱抵抗が介在してしまい、それに応じたヒータの温度上昇が必要となり、熱が逃げやすくなるのに対し、発熱部を煙道の内部空間に配置することは、内部へ熱を伝えるための熱抵抗をなくすと同時に、外部に熱が逃げることに対する熱抵抗は増すので、格段に熱損失が低減する。また、シースヒータの発熱部を煙道内部に配置するために、発熱部を煙道部材で固定する方法もあるが、非発熱部を煙道部材で固定することにより、固体の熱伝導でヒータの発熱が外部に逃げることを抑えられる。

また、両端に端子を有するシースヒータを用いることにより、非発熱部を２箇所持つことになり、２箇所でシースヒータを固定することが可能になることから、非発熱部のみを固定して、発熱部は固定しない構造にしても、排気煙道の振動に耐えられる構造となり、煙道の内部空間に配置した発熱部は、煙道部材から浮かした構造にすることが可能になる。発熱部が煙道部材から浮いていると、固体の熱伝導によってヒータの発熱が外部に逃げることがなくなり、より一層の熱損失低減が図られる。これらの熱損失低減効果によって、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。

また、シースヒータの発熱部を、中央で折り返した２条巻きのコイル形状にして、コイルの軸と尿素水の噴射軸を揃えることにより、噴霧形状が軸対象であることと、発熱部が軸対象に配置されることの組み合わせから、発熱部に噴霧が均一にかかる構造になり、かつ、ヒータ両端の非発熱部を一方向に揃えることが可能になり、煙道にヒータを固定する上で、一方向の挿入で非発熱部を固定することが可能になる。

本発明に係る具体的な実施形態について、図１〜図８を用いて以下詳細に説明する。

本発明の第１の実施形態に係る尿素水注入装置について、図１〜図７を参照しながら説明する。図１は第１の実施形態に係る尿素水注入装置の全体構成を示す図であり、図２は本装置の正面図、図３は本装置のＡ−Ａ矢視断面図、図４は本装置のＣ−Ｃ矢視断面図、図５は本装置のＢ−Ｂ矢視断面図である。

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，尿素水注入装置，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ことが可能になる。上記の触媒構成では、ＰＭがフィルターによって除去され、ＮＯｘが脱硝触媒で除去され、かつ、脱硝触媒をスリップしたアンモニアもアンモニア処理触媒で除去されることで、排気ガスが浄化される。

本実施例で尿素水を注入するにあたっては、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つを併用している。排気中に直接尿素水を注入する方式では、排ガスが高温の時は問題ないが、排ガスが低温の時は、煙道壁面に尿素が付着して析出する問題がある。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では、排ガスが低温の時でも、尿素の析出を起こさない利点を持つが、電力を消費することで、エンジンのトータルとしてのエネルギー効率を低減させる問題がある。そのため、尿素水の直接注入方式と、気化注入方式の両方を備えることで、上記の問題の両方を解決することが可能になる。すなわち、インジェクタ５は排気中に尿素水を直接噴射し、インジェクタ６は分流管８内に尿素水を噴射し、分流管８の内部に発熱部を配置した電気ヒータ９で尿素水を気化する。

図２は、図１に示した装置の正面図であり、破断線Ａ−Ａは分流ガス流路を見せるための断面位置を示し、破断線Ｂ−Ｂは排気管に直接尿素を噴射する方式を見せるための断面位置を示している。排気ガスを分岐させる分流ガス流路は、導入部７を入口として分岐し、旋回翼１１の裏側に設けた吹出し穴を出口として主流の排気ガスと合流する。インジェクタ５から噴射される尿素水噴霧１０１は、煙道内に分散された後、旋回翼１１を配置した流路を通過することで、排ガス中により均一に分散させることを図っている。旋回翼１１は８枚羽根からなっており、それぞれが排ガスの流れに対して迎角をもって固定していることで、羽根周りを通過したガスの流れに旋回が与えられ、旋回翼１１の下流が旋回流になる。

図３は、図２でＡ−Ａの矢印で示した方向の断面図であり、分流ガス流路の構造を示している。排ガスの一部が導入部７から流入することで、分流管８に分流ガスが流れる。分流ガスが流れている空間に、インジェクタ６で尿素水を噴射し、尿素水噴霧１０２を形成し、電気ヒータ９でその噴霧を気化する。電気ヒータ９で気化されたガスは分流ガスに搬送されて、加水分解触媒１０ａを通過する。尿素は加熱されることによってある程度の分解が進み、アンモニアを発生するが、熱のみで完全なアンモニア化をするには加熱量を多くしなければならない。このため、ヒータの消費電力を低減するために加水分解触媒を用いる。水蒸気を含んだ状態で尿素が加水分解触媒を通過すると、比較的低温でも、十分な加水分解反応が進み、アンモニア化が促進されることから、加水分解触媒を使うことによってヒータの消費電力を節約できる。

図４は、図３のＣ−Ｃの矢印で示した位置の断面図であり、分流通路内で生成したアンモニアガスを主流の排ガスに合流させる箇所を示している。分流通路は、加水分解触媒１０ａを通過した後、直角に折れ曲がり、加水分解触媒１０ｂを通過した後、煙道外壁２に接続する。煙道外壁２の内部は、絞り流路４との二重管構造になっており、分流ガスによって搬送されるアンモニアガスは、外壁２と絞り流路４の間にあたる空間に充満し、絞り流路４にある分流ガス吹出し穴から吹出すことで、主流の排ガスと合流する。図４における旋回翼１１は、旋回翼の後ろ側の断面にあたるため、図象として分離した図形になっているが、８枚の羽根が一体で形成さたものである。その羽根ごとに、吹出し口１７は設けられており、８枚翼の場合は、８箇所の吹出し口を設ける。吹出し口１７から吹出したアンモニアガスは、旋回翼１１の効果によって、主流の排ガスと均一に混合するようになる。電気ヒータによる加熱と加水分解触媒によって、尿素からアンモニアを作る際に、分流ガスを必要とする理由は、アンモニアガスの搬送が必要なためである。すなわち、排ガス中に含まれるＮＯｘは微量であることから、これを処理するために必要となるアンモニアも微量であり、尿素水の噴射から生じるアンモニアの体積流量も微量であることから、アンモニアガスのみでは、空間を通過するのにかかる時間が長くなるためである。尿素からアンモニアを生成するためには、加熱のための空間と、触媒の空間が必要であり、その空間に分流ガスが流れていれば、体積流量の増加によって流速が増加し、通過時間が短くなることから、結果としてアンモニアガスは、分流ガスに搬送されていることになる。このため、分流ガスを導入することで、インジェクタで尿素水を噴射してから、分流通路の出口にアンモニアが出てくるまでの時間が短縮され、アンモニア供給の応答性が向上し、排ガスの浄化性能を高めることが可能になる。

図５は、図２のＢ−Ｂの矢印で示した位置の断面図であり、排ガス中に直接尿素水を噴射する部分の構造を示している。インジェクタホルダ１２によって保持されたインジェクタ５から、尿素水２０２は噴射され、尿素水噴霧１０１となって、排ガス２０１に尿素が注入される。インジェクタホルダ１２にインジェクタヘッド１６を装着することで、加圧した尿素水２０２がインジェクタ５に供給されるようになり、インジェクタ５の内部の弁を開閉することにより、調量された尿素水を噴射することが出来る。インジェクタホルダ１２は、煙道外壁１に接続することで、インジェクタ５が噴射する尿素水噴霧１０１が煙道内に直接噴射されるようにしているが、煙道１は排ガス温度の上昇に応じて温度上昇することから、その温度からインジェクタ５を守る機能も必要となる。このため、インジェクタホルダ１２は内部に冷却水循環流路を備えており、インジェクタの電気回路の温度上昇を防ぎ、かつ、インジェクタ内の尿素水通路の温度上昇を防いで、尿素水の水分のみの気化に伴う尿素析出を防止して、析出による詰まりが起きないようにしている。インジェクタホルダ１２内に循環させる冷却水には、エンジンの冷却水もしくは尿素水を用いることが出来る。インジェクタ５から噴射された尿素水噴霧１０１は、排ガスから熱を受けて気化しながら、旋回翼１１が配置された絞り流路４を通過する。流路が絞られることと、旋回による混合作用により、噴霧１０１は排ガス中に均一に分散するようになり、尿素水注入装置の下流にある脱硝触媒上で脱硝反応が十分に行われるようになる。脱硝反応は、ＮＯｘとアンモニアによる反応であることから、触媒上でＮＯｘとアンモニアが出会う必要があり、尿素水噴霧が均一に排ガスに分散されていないと、アンモニアに出会えないＮＯｘが出てきて、脱硝性能が低下する。このため、噴霧の均一な分散は脱硝性能に直接影響を与えることから、尿素水注入装置は、噴霧を均一に分散させる機能が重要となっている。

図５はまた、絞り流路４の中に配置される旋回翼１１と、分流ガス吹出穴１７の位置関係も示している。すなわち、８枚羽根で構成された旋回翼の１枚である羽根１１ａは、主流の排ガス２０１に対して迎角をもって配置されているが、その羽根１１ａの裏側にあって排ガスの流れにはく離渦を生じる場所に吹出穴１７ａを配置している。この旋回翼１１の羽根と分流ガス吹出穴１７の関係はどれも同じにしてある。分流ガス通路には、折れ曲がりがあったり、加水分解触媒を通過したりする等の流路抵抗となる要素が大きいため、分流ガスの流量を確保するためには、工夫を必要とする状況にある。そのため、主流の排ガス流路から絞った箇所に、分流ガスを吹出す構造にしている。主流の排ガスは絞り流路４に入ることで、流路断面積が狭まり、その手前にある時よりも流速が増加する。流体は流速が増加すると圧力（＝静圧）が低下する性質にあるため、絞り流路４の内部は、絞る手前に比べて圧力が下がる。さらに、旋回翼１１の裏側ではく離渦が生じることで静圧がより一層低下する。この負圧を利用して、分流ガスを吸い出すことにより分流ガスの流量は確保される。さらに、旋回翼の旋回作用と、羽根の裏側にあるはく離渦の作用によって、吹出し穴から吹出したアンモニアガスと排ガスが均一に混合し、尿素水注入装置の下流にある脱硝触媒上で脱硝反応が十分に行われるようになる。アンモニアガスの場合も尿素水噴霧の分散と同様に、排ガスと均一に混合させることが脱硝性能に直接影響することから、尿素水注入装置でアンモニアを均一に混合させる機能が特に重要になっている。絞り流路４と旋回翼１１を用いることは、分流ガスの流量を確保することの他に、アンモニアガスと排ガスの混合を促進する働きも担っており、１つの構造が２つの機能を果たすという合理的な構造になっている。

図６は、第１の実施形態に係る尿素水注入装置における尿素水気化器の分解図を示しており、主に電気ヒータに関わる構造を説明する図である。分流ガスの流入口７を備えた分流管８に対して、インジェクタホルダ１３は、フランジ１３ａを介して接続される。インジェクタホルダ１３は、中心にインジェクタ６を挿入する構造になっている他、電気ヒータ９を貫通させて固定するための箇所１３ｂを２箇所備えている。２箇所の固定箇所１３ｂには、コンプレッション・フィッティング１４をそれぞれ装着した上で、電気ヒータ９を貫通させる。コンプレッション・フィッティング１４は、ネジの押し込みによってシール部材が圧縮を受け、貫通させた物体をシールして固定する機能を持つものであり、本発明では、電気ヒータ９の非発熱部をシールして固定する。本発明では、シースヒータの発熱部をコイル形状にすることから、コンプレッション・フィッティングに電気ヒータを貫通させるにあたっては、図６における下側から挿入して、貫通させる。また、本発明では、両側に端子と非発熱部を備えたシースヒータを用いることにしているため、両側の端子が同じ方向を向いていなければ、「挿入」による組み立てが出来ない条件にあり、このため、発熱部をコイル形状にする際に、２条巻きの構造にしている。すなわち、発熱部の中央で折り返した２条巻きの構造は両端の非発熱部が同じ側に来ることになり、その非発熱部を平行な配置にすることで、コンプレッション・フィッティングに挿入する際、両方の非発熱部が同時に挿入されることで、無理なく組み立てを行うことが可能になっている。また、シースヒータ９の非発熱部が、シール箇所を貫通することにより、発熱部を煙道内部に配置しながら、端子を煙道外部に配置することが可能になった。

また、シースヒータ９の発熱部で形成するコイル形状の軸と、インジェクタ６の軸を一致させて配置することにより、噴射軸を中心軸にした噴霧の円錐形状と、ヒータの発熱部が同心軸で相対することになり、噴霧を気化するにあたって、ヒータ発熱部の負荷の均一化を図ることが可能になる。ヒータの発熱部にかかる負荷が不均一な場合、負荷の軽い所は温度が上昇し、負荷の重いところは温度が低下して、尿素水の気化が追いつかず、尿素を析出させる可能性を生じる。また、負荷が軽くてヒータの温度が上昇した箇所は、その温度上昇分だけ外部に熱を伝えやすくなり、熱損失が増大する。このため、発熱部に対する熱負荷の均一化は、ヒータの消費電力低減に直結し、均一化を図れるほど、消費電力低下が実現できる。

また、分流通路に流入してくる分流ガスは、排ガスが分岐したものなので、排気温度が上昇すると、分流ガスの温度も当然に上昇し、分流管８の温度も上昇する。この場合も、電気部品であるインジェクタ６を高温から守る必要があり、インジェクタホルダ１３内部には冷却水循環流路を備えている。このため、冷却水の出入口１３ｃが備えられ、インジェクタの電気回路の温度上昇を防ぎ、かつ、インジェクタ内の尿素水通路の温度上昇を防いで、尿素水の水分のみの気化に伴う尿素析出を防止して、析出による詰まりが起きないようにしている。インジェクタホルダ１３内に循環させる冷却水には、エンジンの冷却水もしくは尿素水を用いることが出来る。また、インジェクタ６で噴射するための尿素水は、インジェクタヘッド１５を通して供給される。

図７は、第１の実施形態で用いる電気ヒータの詳細構造を説明する図である。シースヒータ９は、外観として、発熱部９ａ，非発熱部９ｂ，絶縁体９ｃ，端子９ｄからなり、発熱部９ａと非発熱部９ｂは、保護管で覆われた構造になっており、この保護管は、絶縁体９ｃに接触することで、端子９ｄとは、電気的に絶縁される。また、発熱部９ａの内部は、ニクロム線などの電気抵抗によって発熱する発熱線と、それを取り巻く絶縁材があり、それらが保護管で覆われる。非発熱部９ｂの内部は、導線と、それを取り巻く絶縁材があり、それらが保護管で覆われる。導線は、発熱線と端子９ｄを電気的に接続する機能を果たし、電気抵抗が小さいことで、電流が流れても発熱しない設計になっている。このヒータに電力を供給する電気配線は、端子９ｄとのみ電気接続することから、発熱部９ａや非発熱部９ｂの保護管は電気的に絶縁される。保護管が電気的に絶縁されることにより、保護管の材質に金属を使用することが可能になり、高温に耐えることが可能になる他、煙道に固定する際に、金属接触していても、電気的には絶縁されることから、煙道に漏電する心配がなくなる。また、この絶縁体９ｃは、インジェクタホルダ１３が冷却水により強制的に冷却されていることによっても保護されている。すなわち、絶縁体９ｃは金属で構成出来ないため、高温に耐えられないが、これに接する非発熱部９ｂに熱を伝える可能性があるインジェクタホルダ１３が冷却されていることにより、分流ガスの温度上昇に伴う絶縁体９ｃの温度上昇が防止され、信頼性を確保することが出来るようになる。

図７の右側は、左側のシースヒータを真下から見た図であり、発熱部９ａの中央にあたる箇所９ｅでＳ字状に折り返すことで、１本の発熱部を２条巻きにすることを可能にしている。折り返しを行うに当たって、Ｓ字形状にすることは、限られた空間の中で、曲げ半径を最大限に大きくとる上で有効な形状となる。ヒータの発熱部９ａは、断面内に発熱線と、絶縁材と、保護管を備えており、曲げ半径を小さくする程、発熱線を変形させる作用が働き、熱膨張に伴う応力がかかりやすい発熱線を断線させる可能性を高める。このため、ヒータの耐久性のためには曲げ加工を加える際の曲げ半径を極力大きくし、発熱線に変形を加えないことが望ましい。よって、発熱部９ａの中央の折り返しを、Ｓ字形状にすることは、ヒータの耐久性を高める効果がある。

また、発熱部９ａのコイル形状に関しては、非発熱部側の巻きピッチは細かくし、非発熱部から遠い側は巻きピッチを大きくしている。これは、尿素水の噴射装置が、非発熱部側に配置されるためであり、噴射装置から噴射される噴霧は、同心円状に放射されることから、噴射点に近い方が噴霧の存在密度が高く、噴射点から遠ざかる程、噴霧の存在密度が低下する。これは、噴霧の気化を目的としたヒータにとって、噴射点に近い側が熱の吸収が大きく、噴射点から遠い側は熱の吸収が小さいことを意味する。ことため、熱の吸収が大きい噴射点側は、ヒータの巻きピッチを小さくして、空間あたりの発熱量を増大し、熱の吸収が小さい噴射点から遠い側は、ヒータの巻きピッチを大きくして、空間あたりの発熱量を減らすことで、ヒータの熱負荷の均一化を図ることが出来、ヒータの消費電力低減効果を得ている。

本発明の第２の実施形態に係る尿素水注入装置における電気ヒータについて、図８を参照しながら説明する。図８は、尿素水注入装置のうちの電気ヒータのみを表しており、その他の部品は第１の実施形態と同じであり、電気ヒータの取り付け方も第１の実施形態と同じである。

図８に示すシースヒータ２０は、外観として、発熱部２０ａ，非発熱部２０ｂ，絶縁体２０ｃ，端子２０ｄからなり、発熱部２０ａと非発熱部２０ｂは、保護管で覆われた構造になっており、この保護管は、絶縁体２０ｃに接触することで、端子２０ｄとは、電気的に絶縁される。また、発熱部２０ａの内部は、ニクロム線などの電気抵抗によって発熱する発熱線と、それを取り巻く絶縁材があり、それらが保護管で覆われる。非発熱部２０ｂの内部は、導線と、それを取り巻く絶縁材があり、それらが保護管で覆われており、導線は、発熱線と端子２０ｄを電気的に接続している。図８の右側は、左側のシースヒータを真下から見た図であり、発熱部２０ａの中央にあたる箇所２０ｅでＳ字状に折り返している。

また、発熱部２０ａに関しては、コイル形状でありながら、巻き直径を変化させる形状にしており、非発熱部側の巻き直径は大きく、非発熱部から遠い側の巻き直径は小さくしている。これは、尿素水の噴射装置が、非発熱部側に配置されるためであり、非発熱部から近い側と遠い側にそれぞれかかる噴霧の均一化を図るためである。噴射点から遠くなるヒータには、到達する噴霧の量が近い側より減ってしまうが、巻き直径を小さくしていくことにより、ヒータの発熱部表面が、より噴射点から見える位置に来るようになり、噴霧の到達の減少を補うことが可能になる。同時に、噴射点に近い側の巻きピッチを小さく、遠い側の巻きピッチを大きくすることも組み合わせることで、ヒータの熱負荷の均一化をより一層図ることが出来、ヒータの消費電力低減を可能にしている。

本発明の第１の実施形態に係る尿素水注入装置の全体構成を示す図である。本発明の第１の実施形態に係る尿素水注入装置の正面図である。本発明の第１の実施形態に係る尿素水注入装置の図２におけるＡ−Ａ矢視断面図である。本発明の第１の実施形態に係る尿素水注入装置の図３におけるＣ−Ｃ矢視断面図である。本発明の第１の実施形態に係る尿素水注入装置の図２におけるＢ−Ｂ矢視断面図である。本発明の第１の実施形態に係る尿素水注入装置における尿素水気化器の分解図である。本発明の第１の実施形態に係る尿素注入装置におけるシースヒータ単体の正面図および下面図である。本発明の第２の実施形態に係る尿素注入装置におけるシースヒータ単体の正面図および下面図である。

符号の説明

１，２，３排気煙道外壁
４排気煙道絞り流路
５，６インジェクタ
７分流ガス導入部
８分流管
９電気ヒータ
１０加水分解触媒
１１旋回翼
１２，１３インジェクタホルダ
１４コンプレッション・フィッティング
１５，１６インジェクタヘッド
１７分流ガス吹出穴
１０１，１０２尿素水噴霧
２０１排気ガス
２０２，２０３尿素水

Claims

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る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用の尿素水注入装置において、
前記電気ヒータは、発熱部の両端に、非発熱部と、導線と接続するための端子とを有し、前記発熱部と非発熱部とは、前記端子とは電気的に絶縁される保護管で覆われるシースヒータで構成し、前記シースヒータの発熱部を前記排気煙道の内部空間に配置し、両端の端子を排気煙道の外部空間に配置し、両端の非発熱部を排気煙道に連なる部材にシールして固定することを特徴とする排気処理用の尿素水注入装置。
請求項１に記載の排気処理用の尿素水注入装置において、前記噴射装置と前記シースヒータとを固定する部材が共通していることを特徴とする排気処理用の尿素水注入装置。
請求項１に記載の排気処理用の尿素水注入装置において、前記シースヒータの非発熱部をコンプレッション・フィッティングによりシールして固定することを特徴とする排気処理用の尿素水注入装置。
請求項１に記載の排気処理用の尿素水注入装置において、前記シースヒータの発熱部を中央で折り返した２条巻きのコイル形状にし、両端の非発熱部は向きを揃えた形状にすることを特徴とする排気処理用の尿素水注入装置。
請求項４に記載の排気処理用の尿素水注入装置において、前記シースヒータの発熱部により形成したコイル形状の中心軸を、前記噴射装置の噴射軸上に配置したことを特徴とする排気処理用の尿素水注入装置。
請求項５に記載の排気処理用の尿素水注入装置において、前記シースヒータの発熱部により形成したコイル形状の巻きピッチを、前記噴射装置に近い側は小さく、噴射装置から遠い側は大きくしたことを特徴とする排気処理用の尿素水注入装置。
請求項５に記載の排気処理用の尿素水注入装置において、前記シースヒータの発熱部により形成したコイル形状の巻き直径を、前記噴射装置に近い側は大きく、噴射装置から遠い側は小さくしたことを特徴とする排気処理用の尿素水注入装置。
請求項１に記載の排気処理用の尿素水注入装置において、前記シースヒータと前記噴射装置とを、排気煙道を分流させた箇所に設置したことを特徴とする排気処理用の尿素水注入装置。
請求項１に記載の排気処理用の尿素水注入装置において、前記シースヒータの発熱部表面の少なくとも一部を、尿素の加水分解を促進する機能を有する触媒成分で被覆したことを特徴とする排気処理用の尿素水注入装置。