JP2009250218A

JP2009250218A - 尿素注入装置

Info

Publication number: JP2009250218A
Application number: JP2008103024A
Authority: JP
Inventors: Akira Nishioka; 明西岡; 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: 2008-04-11
Filing date: 2008-04-11
Publication date: 2009-10-29

Abstract

【課題】
尿素注入装置の小型化を図るとともに、尿素水の気化空間が不足して析出が起きる問題を解決した上で、尿素注入装置をエンジンルーム内に配置可能にする。
【解決手段】
酸化触媒又はＤＰＦの直後に尿素注入装置が取り付き、出口は排気管に接続する形状にし、入口部の排ガス流路が広い所に吸込み口を設け、出口部の排ガス流路が狭い所に吹出し口を設けた分流管を備え、この分流管内に尿素水を噴射し、ヒータで気化する。
【選択図】図１

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、脱硝触媒により排気中の窒素酸化物を除去することができる尿素注入装置，廃棄処理装置に関する。

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（＝脱硝触媒）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を低減する手法が知られており、これを実現するための技術として、例えば、特許第３８１１４５０号公報に記載の技術などがある。

尿素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、排ガスの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。この場合、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開発されている。特開２００４−３５３５２３号公報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３８１１４５０号公報特開２００４−３５３５２３号公報

ディーゼルエンジンの排気に含まれる物質で除去が必要なものは、主にＮＯ_xと粒子状物質（＝ＰＭ、黒煙の原因）（Particulate Matter）であり、排気処理装置ではこの両方を除去することが望まれる。このための構成として、粒子状物質はフィルターで捕捉し、窒素酸化物は脱硝触媒で処理するのが好ましい。粒子状物質を捕捉するフィルター（＝ＤＰＦ）（Diesel Particulate Filter）は、捕捉することによって堆積した物質を燃焼させることによってフィルターを再生することが好ましいため、表面に酸化触媒を塗布するのがよい。

一方、脱硝触媒でアンモニアを用いてＮＯ_xを処理する際は、ＮＯ_xにおける一酸化窒素（ＮＯ）と二酸化窒素（ＮＯ₂）の割合がモル比で１：１であることが好ましく、脱硝触媒の上流に酸化触媒を置き、エンジンから排出された直後はＮＯのみからなるＮＯ_xの半分をＮＯ₂にすることが望ましい。このため、排気処理装置は、酸化機能を持つＤＰＦ，尿素注入装置，脱硝触媒の順に配置するのがよく、これらを従来のマフラーが配置されていた位置にまとめて配置することが考えられる。

比較的大型のディーゼルエンジンに対する排気処理装置では、上記の配置で十分であるが、エンジンの排気量が少なくなるにつれて、排ガスの流量が減ることから、エンジンから排気処理装置までに排ガスが流れる間に排気の温度が低下するという問題を生じる。排気の温度が下がると、ＤＰＦを再生するのが困難となったり、脱硝触媒の活性が低下するという問題が生じる。排気管のサイズは一般に排気の流量に応じて決めるため、比較的小さいエンジンでは、その分、排気管の径も小さく設計する。また、排気の温度低下は、排気管を通して熱が外に逃げることによって生じる。排気管内の流速を一定に保って排気管の径を選択する場合、排気流量が小さくなる程、流量に対する排気管の表面積の割合は増える。これは、排気管の断面積は直径の２乗に比例するのに対し、外周は直径に比例するためである。排気の流量に比べて表面積が増えると、それだけ熱が外に逃げやすくなり、エンジンから排気処理装置まで流れる間に温度低下する量が増えてしまう。

比較的小排気量のエンジンにおける排気処理装置の課題として、排気温度低下の問題があるため、これを解決する手段として、ＤＰＦをエンジンの直近に配置するということが考えられる。すなわち、従来のマフラーの位置に配置することが考えられるＤＰＦを、エンジンルーム内に納め、エンジンからＤＰＦまでの排気管の長さを大幅に短縮することで、排気管を流れる間に生じる温度低下を減らすのである。さらには、尿素注入装置や脱硝触媒もエンジンルーム内に納めることが出来ると好都合であるが、通常、エンジンルームにはそれだけの空間の余裕がない。ここで、無理にエンジンルーム内に排気処理装置の全てを配置しようとすると、脱硝触媒等のサイズを小さくせざるを得なくなるが、単なるサイズ縮小は性能不足をもたらし、排気処理装置に期待される十分な性能が得られなくなることから、排気を浄化するという当初の目的が得られなくなる。このため、比較的小排気量のエンジンに対しては、ＤＰＦをエンジンルーム内に配置し、脱硝触媒はエンジンルームの外に出し、従来のマフラーの位置に配置することが有効となる。この際、尿素注入装置をエンジンルーム内に配置できると好都合となる。すなわち、排ガス中に尿素を注入するにあたっては、排ガスの熱で尿素水を気化する必要があり、排ガス温度が低いと尿素水の気化に不利であることから、尿素注入装置にとっても排気温度は高いことが望ましいことから、尿素注入装置をエンジンルーム内に配置できると利点が大きい。

しかし、特許第３８１１４５０号公報の技術を用いる尿素注入装置には、ある程度の空間が必要であるため、エンジンルーム内に配置することが困難となる。すなわち、排気管に噴射された尿素水は、排気管の壁面に付着すると尿素の析出を起こし、この析出物が問題となるため、尿素注入装置には、尿素水が排気管に付着しないようにすることが求められる。これを実現するためには、排気管内に噴射された尿素水の噴霧が、排気管の壁面に到達するまで十分気化することが望まれる。そのためには、一つには排気管の直径を大きくすることが考えられ、その他の手段としては、排気の流れ方向に沿って尿素水を噴射し、排気の流れの中で尿素水噴霧を気化することが考えられる。前者の手段は、直径が大きくなり、後者の手段は、排気管が曲がると、そこで尿素水噴霧が壁面に衝突することになるので、尿素水噴霧の気化空間としての直線区間を確保する必要が生じ、何れの手段においても尿素水噴霧の気化空間の確保が必要となって、エンジンルーム内に尿素水注入装置を配置することが困難となる。

尿素水が排気管の壁面に付着する問題を解決する手段としては、特開２００４−３５３５２３号公報に記載の技術があるが、尿素から生成したアンモニアと排ガスを混合するための空間が必要であるため、エンジンルーム内に納めることが可能になるほど装置を小型化するにはさらなる発明を必要とした。また、尿素水を注入するにあたって電気ヒータを使用するシステムでは、使用しないシステムに比べてエネルギー消費が増える問題があるので、デメリットを小さくするための省エネ技術も必要とされる。

この他、排ガスが脱硝触媒に至るまでに排気管があって、その排気管の表面から放熱して排気が温度低下する場合、排気管の中心部と外周側とで温度差が生じることになり、これはそのまま脱硝触媒内部の温度分布となる。すなわち、脱硝触媒断面の温度を見た場合、外周側は中心部に比べて温度低下を起こす。脱硝触媒はある程度温度が下がると活性が下がり、アンモニアによる脱硝反応が起きなくなる。この脱硝反応が起きない状態で、アンモニアの供給を続けると、アンモニアが脱硝触媒に吸着されることなくスリップして、外部にアンモニアを排出する恐れが生じる。これを避けるために、脱硝触媒の下流に酸化触媒を設け、脱硝触媒をスリップしたアンモニアを分解することで、アンモニアが外部に漏れ出ることの対策を図ることが出来る。

ただし、この後段の酸化触媒の容量を減らすには、脱硝触媒をスリップするアンモニアの量を減らすことが望まれる。また、尿素水の節約を図る意味でも、脱硝反応に寄与しないアンモニアは供給しないようにすることが望ましい。

このため、脱硝触媒の温度分布により、外周側の触媒の活性が低下する状況にあっては、尿素から生成されるアンモニアの濃度を脱硝触媒の外側で薄くすることが効率的となる。すなわち、脱硝触媒の中心側のアンモニア濃度は濃く、外周側のアンモニア濃度は薄くなるようにすることが可能な尿素注入装置が望まれる。

しかし、特開２００４−３５３５２３号公報に記載の技術では、主流となる排気管の外側に存在する分流管でアンモニアを生成し、それを主流の排気に混ぜることから、排気の外周側のアンモニア濃度は濃くなりやすいが、その逆の濃度パターンにはなりにくい課題があった。

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。

エンジンの排気処理装置として、酸化触媒もしくはＤＰＦが上流側にあり、その直後に取り付く形状に尿素注入装置をし、直前の酸化触媒もしくはＤＰＦを出た排ガスは流路面積を変えずに尿素注入装置の入口部に流入させる。かつ、尿素注入装置の出口部は排気管に接続する形状にし、尿素注入装置によって尿素を注入された排ガスは、排気管を通過した後に脱硝触媒に送られる形状にする。これにより、尿素注入装置を通過する排ガスから見た入口部の流路面積を、出口部より大きくする。この構造により、排ガスの流速を入口部に比べて出口部で加速させ、ベンチュリー効果によって出口部の圧力を下げる。この圧力差を生じさせている入口部と出口部にそれぞれ連通する形状で分流管を構成する。分流管には、入口部と出口部の圧力差を利用して排ガスが流れる構造にする。これによって、排ガスの一部が分岐して、分流管に流れる状態にする。その上で、分流管内に尿素水を噴射する噴射装置と、噴射された尿素水を加熱して気化するためのヒータを取り付ける。これにより、排ガスに注入される尿素水は、分流管内で強制的に気化され、分流管を流れる排ガスによって運ばれ、排ガス全体と合流する構成にする。

また、分流管の出口を、排ガスの出口部の流路の中央付近に開口させることで、尿素注入されたガスが、排ガス流路の中央部に供給される構成にする。

また、排ガスの流路中に、旋回流を起こす固定式の旋回翼を設置し、分流管の出口は、この旋回翼の直後に配置し、旋回翼の下流側に生じる剥離領域に分流管を出たガスが吸引される構造にし、この剥離領域を通じて分流管から出たガスが排ガス流路の中央部に供給される構成にする。

以上の構成によると、尿素注入装置をエンジンルーム内に収納するための尿素注入装置の小型化が可能となる。

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５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注入装置を用いた排気処理装置の全体構成を示す模式図、図２は、本尿素注入装置の外形図、図３は、本装置のＡ−Ａ矢視断面図、図４は、本装置のＢ−Ｂ矢視断面図、図５は、本装置のＣ−Ｃ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ガス１４は、排気処理装置に送られ、最初に酸化触媒１を通過する。この酸化触媒１は、排ガス１４中のＮＯの半分をＮＯ₂にする働きと、排ガス中の未燃成分を燃焼させて、排ガスの温度を上昇させる働きの２つの役割を持つ。酸化触媒１の直後にはフィルター２が置かれ、排ガスから粒子状物質（ＰＭ）を取り除く。フィルター２には酸化触媒を塗布しておき、捕捉したＰＭが排ガスの熱で自然に酸化されるようにしておくとＰＭによる目詰まりが減る。フィルター２へのＰＭの堆積が進んで、圧力損失が大きくなった場合は、排ガス１４に含まれる未燃成分を意図的に増やし、酸化触媒１でそれを燃焼させて排ガス温度を上げ、それによってフィルター２にたまったＰＭを燃焼させ、フィルターを再生することが出来る。酸化触媒やフィルターは、排ガスを流す上で、圧力損失を生じやすいので、流路断面積を増やし、通過流速を下げることで、圧力損失を抑える。尿素注入装置１００は、フィルター２の直後に取り付き、フィルター２と同じ流路断面積のまま、排ガス１４を流入させる。

尿素注入装置１００では、インジェクタ７によって尿素水が注入され、その注入量はコントローラ１１によって制御される。インジェクタ７で尿素水を注入するためには、尿素水タンク１２と尿素水ポンプ１３とで構成される噴射装置を用いる。具体的には、尿素水タンク１２にある尿素水を尿素水ポンプ１３で一定圧に加圧し、それに連通したインジェクタ７が内部の弁を開いた時に尿素水が噴射されるようにする。このため、インジェクタ７は、弁が開いている時間の割合を変えることによって噴射量を制御することが可能になり、コントローラ１１によって適正量の尿素水が注入される。

尿素注入装置１００を出た排ガスは排気管３を通じてエンジンルームを出て、離れた位置に配置されている脱硝触媒４に送られる。排気管３には、通常、曲がりなどが存在するが、ここでは省略して描画している。排気管３の取り回しを容易にするために、排気管３の直径は細くするのが良いが、脱硝触媒４は圧力損失が生じやすいため、流路断面積を大きくする。脱硝触媒４の下流には触媒をスリップしたアンモニアを外部に放出させないための酸化触媒５を置く。酸化触媒５は、アンモニアの流入があった際に、アンモニアを酸化処理することで無毒化する。脱硝触媒４とスリップアンモニア処理用の酸化触媒５をエンジンルームから出すことで、エンジンルーム内の空間を確保し、そこに酸化触媒１，フィルター２，尿素注入装置１００を配置することにより、排気の熱を十分に活用出来るようにする。触媒等のレイアウトは、上記以外の順番にすることも可能であるが、特に上記のものをエンジンルームに納めることで、排気処理装置のために排気温度上げる操作が必要になることを減らすことで省エネ化を図ることが可能になる。また、脱硝触媒４にとっても排気温度は高いことが望ましいが、排気管３を排ガスが流れる間に排気温度が低下する分については、尿素注入装置１００が、尿素をアンモニアにまで変換し、脱硝触媒４で尿素の加水分解反応をしないで済むようにすることで、補うことが可能になる。

尿素注入装置１００において、排ガスは入口部２０を通じて流入し、出口部２１を通じて排気管３に流出する。このため、入口部２０の流路断面積が、出口部２１より大きくなり、排ガス１４の流速が出口部２１で加速され、出口部２１の圧力が、圧力損失がない状態でも、入口部２０より低くなる。実際には圧力損失も存在するので、流速の増加によるベンチュリー効果による圧力低下と圧力損失の合計分の圧力低下がおきる。

分流管６は、ガスの吸込口１６を入口部２０の空間に配置し、ガスの吹出口１７を出口部２１に配置する。分流管６には尿素水を噴射するためのインジェクタ７と、電気ヒータ８，加水分解触媒９を備える。分流管６の通路内には曲がり部や触媒などのガスが流れる上で抵抗となる要素が多々あるが、吸込口１６と吹出口１７の圧力差によってガスが流れる。すなわち、分流管６の全通路を流れることによって生じる圧力損失と、吸込口１６と吹出口１７の差圧が釣り合うように、分流管６の流量が決まる。入口部２０と出口部２１の圧力差は排ガスの流量によって決まり、分流管６の圧力損失も分流管を流れる流量によって決まる。よって、出入口の圧力差は流量によって大きく異なるが、全体の排ガスの内の分流管に分岐して流れる割合は、全体の排ガス流量が変わってもそれほど変わらずに済む。

このことは、即ち、全体の排ガス流量が多い時には、分流管６に流れる排ガス流量も増え、全体の排ガス流量が少ない時には、分流管６に流れる排ガス流量も減る。全体の排ガス流量は大まかに見て、エンジン負荷に比例しており、ＮＯｘの発生量も、大まかに見るとエンジン負荷に比例する。また、排ガスの温度も、一般的にエンジン負荷が高い時に排ガス温度が上がる。

さらに、尿素水の注入量は、処理するＮＯｘ量に応じて決めるため、ＮＯｘの発生量が増える程、分流管に噴射する尿素水量も増える。これらのことから、ベンチュリー効果によって排ガスを分流させるシステムを構成することにより、分流管に噴射される尿素水が増える時には、排ガス温度が高く、分流管に流れる排ガス流量も増える傾向になり、逆に、排ガス温度が低い時には、分流管に流れる排ガス流量が少なくて、尿素水の噴射量も少なくなる傾向になる。

このことは、分流管６に設置される電気ヒータ８の容量を抑えることに役立つ。インジェクタ７によって噴射された尿素水を全て気化するには、気化潜熱分の熱量が必ず必要になる。この必要な熱量は、電気ヒータから得られる熱と、排ガスから得られる熱でまかなわれる。ただし、電気ヒータが発した熱量は、全て尿素水の気化に使われる訳ではなく、外部に逃げてしまう熱損失が生じたり、分流管内を流れている排ガスの温度上昇に使われてしまう分もある。排ガス温度が高い時は、尿素水噴霧と排ガスとの熱伝達により多くの熱が伝わり、尿素水の気化に必要な熱量を排ガスから多く受けることが出来る。この場合、排ガスから得られる熱量で不足する分を電気ヒータで補えば良い。

このため、排ガス温度が高い時は、分流管を流れる排ガス流量が多い程、排ガスから得られる熱量が増えて、電気ヒータに必要とされる発熱量が少なくて済む。その上で、排ガス温度が高い時は、エンジン負荷が大きい時で、ＮＯｘ発生量が多い時であり、噴射する尿素水量も多い。尿素水の噴射量に比例して気化に必要な熱量が増えることから、尿素水の最大噴射量が電気ヒータの最大消費電力を決めることになる可能性が高い。この場合、分流管に流れる排ガスの流量割合が高くなるように尿素注入装置を設計するほど、電気ヒータ８の最大消費電力を下げることが可能になる。電気ヒータの最大消費電力は電力供給ラインの最大電流を決め、電力供給ラインにおける配線やスイッチなどの仕様は最大電流で決まる。よって、電気ヒータの最大消費電力は、ヒータ自身の仕様に影響する他、電力供給ラインの仕様にも大きく影響することから、最大消費電力を下げることは、システム全体の簡素化に貢献する部分が大きい。当然、最大消費電力を下げることは、エネルギー消費の低減につながってエンジンの総合効率を高めることに役立つ。このため、本発明の構造により、排ガス温度が高い時に分流管に流れる排ガス流量が増えやすい構造にすることは、システムの簡素化やエネルギー効率の向上に効果がある。

一方、排ガス温度が低い時は、熱伝達の原理により、排ガスの熱を尿素水噴霧に伝えることが困難になる他、電気ヒータの発熱が排ガスにより多く伝わってしまう問題がある。このため、排ガス温度が低い時は、排ガスの熱による支援が受けられなくなることと、電気ヒータの発熱が排ガスの温度上昇に消費されてしまうことの２つの影響によって、ヒータの消費電力を増やす要素がある。ただし、排ガス温度が低い時は、一般にエンジン負荷が低い時であって、ＮＯ_x発生量も少ないために、尿素水噴射量が少ないことで、そもそもの尿素水を気化させるために必要な熱量自体は少なくて済む条件にある。その上で、電気ヒータの消費電力を下げるためには、排ガスの温度が低い時には、分流管に流れる排ガス流量を減らすことが有効である。すなわち、排ガス温度が低い時は、尿素水の気化に排ガスの熱による支援が期待出来ない上に、排ガスに奪われる熱の方が増えるので、排ガスの流量を減らすことで、排ガスに奪われる熱量が減り、電気ヒータの消費電力を下げることが可能になる。

本発明の尿素注入装置の構造は、排ガスの全体流量が下がるときには、分流管に流れる排ガス流量も下がる構造になっているため、排ガス温度が低い時の省エネを図る構造にもなっている。

分流管６に備えた電気ヒータで尿素水噴霧を加熱する場合、加熱された噴霧では、最初に水分の蒸発が起きる。この現象のみが起きた時には、噴霧が加熱された結果、水分が抜けて、尿素の粉末になる。但し、実際の環境では温度が上昇していることから、尿素の熱分解も始まる。尿素は、熱分解によってイソシアン酸を生じ、イソシアン酸が加水分解されると、尿素からアンモニアを生じる反応が完了する。尿素が熱分解によりイソシアン酸になる反応は吸熱反応であり、周囲から熱を奪う。一方、イソシアン酸が加水分解によりアンモニアになる反応は発熱反応であり、周囲に熱を提供する。このため、熱分解と加水分解が同時に起きると熱をやりとりするプロセスが減って効率的である。熱分解反応は、場の温度に律速されて起きるが、加水分解反応は触媒がないと起き難い。このため、分流管６に、加水分解触媒９を設置することにより、尿素のアンモニア化を速やかに起こすことが可能になる。加水分解触媒がない場合は、イソシアン酸からアンモニアに分解される際に生じる発熱を利用することが出来ないため、その熱量分だけ、電気ヒータの消費電力が増えるか、尿素の熱分解自体が起きないでいてしまう。尿素の熱分解が起きないということは、尿素水のおける水分だけが蒸発した状態になるので、尿素の固体粉末が浮遊することになる。分流管６の中で尿素粉末を生成することは、流れのよどみ部に粉末を堆積させたり、壁面に粉末を付着させたりする可能性を生じるので好ましくない。このため、分流管６に加水分解触媒９を置くことの利点が大きい。また、分流管６には全体の排ガスのうちの一部が流れるだけなので、加水分解触媒９を通過するガスの流量は、脱硝触媒４を通過するガスの流量よりはるかに少ない。このため、加水分解触媒９の容積は、脱硝触媒４の容積に比べるとはるかに小さくて済み、尿素注入装置１００の小型化を阻害することはない。

尿素注入装置１００には、排ガス流路に旋回翼１０を固定して取り付けることにより、排ガスへのアンモニアの混合を支援することが出来る。旋回翼１０は、排ガスの流れの向きを変える板を同心的に配置して固定することにより、通過する排ガスの流れに旋回を起こすことが出来る。旋回翼１０を通過した排ガスは、旋回成分だけ流速が増加することからベンチュリー効果と同様に圧力を下げることが出来、その下流に分流管６の吹出口１７を設ければ、圧力低下分、分流管６に流れるガスの流量割合を増やすことが出来る。さらに、旋回翼１０の羽根にあたる板の下流側面の直後には、流れの剥離が生じ、それによる圧力低下も生じる。

このため、吹出口１７を、個々の羽根の剥離が生じている箇所（複数箇所）ごとに設けると、剥離により生じた負圧によってもガスを吸引し、分流管の流量割合を増加させる。さらに、剥離が生じている箇所のガスは、主流のガスに押し流されることがないので、流路の外周から吹入れても、流路の中央に到達することが出来る。すなわち、分流管６から吹出口１７を通じて吹出されたガスは排ガス流路の中央に多く供給することが可能になる。分流管６から出てくるガスは、注入された尿素から生成されるアンモニアが、分流排ガスによって搬送されたものであり、このガスが排ガス流路の中央部に多く供給されることは、中央部のアンモニア濃度を濃くし、脱硝触媒４にアンモニアが供給される段階においても、中央部の濃度が高く、外周部の濃度が薄い状態にすることが出来るようになる。

図２〜図５は、図１に示した排気処理装置の中から尿素注入装置だけを取り出し、その具体的構造の一例を示した図であり、図２は外形図であって、左側が排ガスが流入する側を見た正面図であり、右側がその側面図である。正面図に示した破断線Ａ−Ａは分流管の吸込口通路を見せるための断面位置を示し、破断線Ｃ−Ｃは主流の排ガス通路を見せるための断面位置を示す。側面図に示した破断線Ｂ−Ｂは分流管６に配置されるインジェクタ，電気ヒータ，加水分解触媒等を見せるための断面位置を示す。本尿素注入装置は、上流側にフィルター、下流側に排気管と接続するため、それぞれ入口フランジ３０と出口フランジ３１を備える。尿素注入装置に流入した排ガスは、一部が吸込口１６から分流管通路に流入する。それ以外の大部分の排ガスは旋回翼１０が配置されている側の流路に流入する。本実施例の旋回翼１０は８枚の羽根からなり、それぞれの羽根が、排ガスの流れを時計方向に向きを変えるように固定されていることで、排ガスの流れを右ネジ回りに旋回させる働きを持つ。

図３は、図２のＡ−Ａの矢印方向に見た断面図であり、分流管の吸込口等を見せている。上流にあるフィルターを出て尿素注入装置に流入する排ガス１４は、入口部２０ではフィルターを出る際の流路面積を保ち、その圧力が保たれる空間に分流管の吸込口１６を設ける。分流管側に行かない主流の排ガスは、入口部２０を過ぎたあと、流路面積が絞られるため、流速が増加することで圧力が低下する。分流管の吸込口１６を、この流路が絞られた部分に設けると圧力が下がってしまうため、分流管に排ガスを流すための駆動力が低下し、排ガスが分流管に分配される比率が低下してしまう。この比率が低下すると、排ガス温度が高い時に電気ヒータの消費電力を減らすことが出来なくなるため、エネルギー効率が低下する。このため、吸込口１６を、入口部２０の流路面積を確保している空間に備えることが重要となる。

図４は、図２のＢ−Ｂの矢印方向に見た断面図であり、分流管６の主要パーツを見せている。分流管６を流れる排ガスに対して、インジェクタ７により尿素水を噴射して注入する。噴射されることで噴霧状になった尿素水を、電気ヒータ８で加熱することによって気化が行われる。本実施例のヒータ構成としては、シースヒータをコイル状に成形したものを分流管の内部に配置し、噴霧がヒータにじかにかかることで熱の伝わりを良くし、ヒータの熱が外部に逃げることを抑制している。電気ヒータ８で気化された尿素水は排ガスに搬送されて分流管内を流れ、加水分解触媒９を通過する。加水分解触媒の構成としては、金属ハニカムの表面に酸化チタンなどの触媒成分を塗布したものがよい。加水分解触媒９を通過させることで、注入された尿素の全てがアンモニアに変換されるようにする。尿素がアンモニア化することで固体分がなくなり、析出を起こす可能性もなくなることで扱いが容易になる。アンモニアを含んだ状態の分流排ガス１５は、吹出口１７を通じて主流の排ガスに合流する。本実施例では、旋回翼に８枚の羽根を用い、その羽根の付け根部のそれぞれに吹出口を設けていることから、吹出口１７は合計８ヶ所存在する。このため、主流の排ガスが流れる流路を取り巻く環状の流路を通じて、分流排ガス１５は分配され、それぞれの吹出口から均等にガスが吹出す。

図５は、図２のＣ−Ｃの矢印方向に見た断面図であり、主流の排ガス流路と、分流排ガスの吹出口の関係を見せている。尿素注入装置に排ガス１４が流入する際、入口部２０では流路面積が広い状態にあるが、出口部２１にあわせて、流路面積を途中で大幅に絞っている。この主流の排ガス流路が絞られることで生じた空間に分流管の通路が配置されているために、尿素注入装置のコンパクトさが実現されている。主流の排ガス流路には旋回翼１０が配置されており、８枚の羽根が、それぞれ排ガスの進行方向に対して傾斜して設置されていることにより、排ガスの流れに旋回を生む。旋回翼の羽根が傾斜していることで、上流側からみて羽根の裏側にあたる箇所に分流排ガスの吹出口１７を設ける。羽根の裏側には、主流の排ガスの流れが剥離する領域が生じるため、その領域に吹出口を設けることで、吹出口を出た分流排ガス１５は、すぐに主流の排ガスによって押し流されることがなくて済み、剥離領域を通じて、主流の中央部にまで、分流排ガス１５を到達させることが可能になる。これにより、出口部２１では中央部のアンモニア濃度を濃くすることが可能になる。この状態で排気管を通じて、排ガスが脱硝触媒に到達すると、触媒に対しても中央部のアンモニア濃度が濃く、外周部のアンモニア濃度が薄くなって、アンモニアの消費効率を高めることが可能になる。

本発明の第２の実施形態に係る尿素水注入装置について、図６〜図９を参照しながら説明する。なお、第１の実施形態と同じ機能のものは、符号を同じにすることで説明を省略する。図６は、第２の実施形態に係る尿素注入装置１０１を用いた排気処理装置の全体構成を示す模式図であり、図７は、尿素注入装置の外形図、図８は、尿素注入装置のＤ−Ｄ矢視断面図、図９は尿素注入装置のＥ−Ｅ矢視断面図である。

図６において、機器の基本的な配置は第１の実施例と同じになっている。異なる点として、旋回翼を用いずに、分流管の吹出口を、排ガス主流通路の内部にもってきている。これにより、分流管で生成したアンモニアを含むガス１５を、排ガスの中央部に供給し、脱硝触媒４に供給されるアンモニア濃度の中央部を濃くしている。

図７〜図９は、図６に示した排気処理装置における尿素注入装置を取り出し、その具体的構造の一例を示した図であり、図７は、外形図であって、左側が排ガスが流入する側を見た正面図、右側がその側面図である。正面図に示した破断線Ｅ−Ｅは分流管の吹出口を見せるための断面位置を示す。側面図に示した破断線Ｄ−Ｄも、分流管の構造と吹出口を見せるための断面位置を示す。

図８は、図７のＤ−Ｄの矢印方向に見た断面図である。尿素水を噴射するインジェクタ７，電気ヒータ８，加水分解触媒９は第１の実施例と同じであるが、生成したアンモニアを含む排ガス１５を主流の排ガス流路に吹出させるための構造が異なる。すなわち、パイプ状の構造をもって、吹出口１８を排ガス流路の中央部に至らせている。

図９は、図７のＥ−Ｅの矢印方向に見た断面図である。第２の実施例では、旋回翼がない分、分流管の排ガスを吸引する力が弱まるが、吹出口１８までのパイプ状構造物が、主流の排ガス流路の断面積を減らしている分だけ流速が増加し、圧力が下がることで、分流排ガスを吸出す力が支援される。このため、分流排ガスを主流の排ガス流路の中央付近にまで導くパイプの直径により、分流管に流れる排ガスの流量比を調整することが出来る。また、吹出口１８を、下流側に若干傾斜した開口面にすることで、分流排ガス１５が吹出る流れが滑らかになる。

以上の実施形態によると、尿素注入装置が、エンジンルームに納まると、尿素注入部に達するまでの排ガスの温度低下を減らすことが可能になり、排ガスの熱による尿素水の気化の支援をより多く用いることが可能になる。

また、尿素水の注入を排ガスが分岐して流れる分流管内で行い、かつ、電気ヒータで強制的に尿素水の気化を行うことで、尿素水が排気管に付着して析出を起こすことを防止し、低排気温度時も尿素注入が可能なようにし、排気処理装置が稼動可能な温度範囲を広げ、総合的な排気浄化能力が高まる。

また、分流管内で尿素水を気化させることによって、尿素水を気化させるために用いる空間を減らし、排気管のレイアウトに制約がかかることをなくし、自由に排気管を引き回すことが可能になる。

また、分流管に排ガスを流すための駆動力に、ベンチュリー効果による排ガスの圧力差を利用することで、余計な圧力損失を付加することなく、十分に排ガスが分流管を流れるようにする。分流管を流れる排ガスの流量が確保されることによって、搬送ガスとして、注入した尿素成分が速やかに排ガスに供給されるようになる他、熱源として、尿素水の気化を補助し、ヒータが消費するエネルギーを節約することが可能になり、エンジンとしての総合的なエネルギー効率を高めることが可能になる。

また、分流管から出たガスが排ガス流路の中央部に供給されるようになることで、脱硝触媒に供給されるアンモニアの濃度分布を、中央部が濃く、外周部を薄くすることが可能になり、脱硝触媒に達するまでの排気管で、外周部の排気温度が低下して、脱硝触媒の外周部が不活性になる場合にも、ＮＯｘと反応せずに触媒をスリップしてしまうアンモニアを減らし、アンモニアが外部に排出されるリスクを低減することが可能になると同時に、アンモニアの利用効率が高まることで、尿素水の消費量を抑えることが可能になる。

本発明の第１の実施形態に係る尿素注入装置を用いた排気処理装置の全体構成を示す模式図である。本発明の第１の実施形態に係る尿素注入装置の外形図である。図２の尿素注入装置のＡ−Ａ矢視断面図である。図２の尿素注入装置のＢ−Ｂ矢視断面図である。図２の尿素注入装置のＣ−Ｃ矢視断面図である。本発明の第２の実施形態に係る尿素注入装置を用いた排気処理装置の全体構成を示す模式図である。本発明の第２の実施形態に係る尿素注入装置の外形図である。図７の尿素注入装置のＤ−Ｄ矢視断面図である。図７の尿素注入装置のＥ−Ｅ矢視断面図である。

符号の説明

１，５酸化触媒
２フィルター
３排気管
４脱硝触媒
６分流管
７インジェクタ
８電気ヒータ
９加水分解触媒
１０旋回翼
１１コントローラ
１２尿素水タンク
１３尿素水ポンプ
１４，１５排ガス
１６分流管吸込口
１７，１８分流管吹出口
２０尿素注入装置入口部
２１尿素注入装置出口部
３０入口フランジ
３１出口フランジ
１００，１０１尿素注入装置

Claims

排ガスを通過させ、前記排ガスの入口部と出口部とを有する流路と、
前記排ガスの少なくとも一部を分岐する分流管と、
前記分流管の内部に尿素水を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ヒータとを備え、
前記流路の入口部の断面積は、前記流路の出口部の断面積よりも大であって、前記分流管の入口は、前記流路の入口部と連通し、前記分流管の出口は、前記流路の出口部と連通することを特徴とする尿素注入装置。
請求項１に記載の尿素注入装置であって、
前記分流管の出口は、前記流路の出口部に複数箇所設けられたことを特徴とする尿素注入装置。
請求項１に記載の尿素注入装置であって、
前記流路に設けられ、旋回流を起こす旋回翼を備え、
前記旋回翼は、前記排ガスの出口部に設けられたことを特徴とする尿素注入装置。
請求項１に記載の尿素注入装置であって、
前記分流管の出口は、旋回翼の直後に配置されたことを特徴とする尿素注入装置。
請求項１に記載の尿素注入装置であって、
前記ヒータは、前記分流管の内部に設けられたことを特徴とする尿素流入装置。