JP3267502B2 - 還元剤気化装置 - Google Patents

還元剤気化装置

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JP3267502B2 JP05779496A JP5779496A JP3267502B2 JP 3267502 B2 JP3267502 B2 JP 3267502B2 JP 05779496 A JP05779496 A JP 05779496A JP 5779496 A JP5779496 A JP 5779496A JP 3267502 B2 JP3267502 B2 JP 3267502B2
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孝之 猪原
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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、主として内燃機関
の排気ガス中に含まれる窒素酸化物(NOx )を還元し
て排気ガスを浄化するための所謂NOx 触媒に対して、
必要な還元剤を加熱し気化させて供給するための還元剤
気化装置に関する。
【0002】
【従来の技術】ディーゼルエンジンや、リーンバーンガ
ソリンエンジンのような内燃機関等の排気ガス中に含ま
れているNOx をNOx 触媒によって還元して排気ガス
を浄化する際に、NOx 触媒へ流入する排気ガスに対し
て、還元剤として燃料のような炭化水素(HC)をNO
x 触媒の上流側、或いは途中から供給して混入させるこ
と、及びその還元剤が液体燃料である場合に、それを加
熱、気化させてから供給することによってNOx 浄化率
を向上させ得ることは、例えば特開平7−208150
号公報に記載されているように従来から知られている。
【0003】図1にNOx 触媒システムの全体構成を概
念的に例示する。ディーゼルエンジン或いはリーバーン
ガソリンエンジンのような内燃機関1の排気通路2の途
中には、排気ガス中のNOx を還元するためのNOx 触
媒3が設けられ、それによって浄化された排気ガスが大
気中へ放出される。NOx 触媒3よりも上流側の排気通
路2の壁面に形成された開口には、軽油のようなHCか
らなる液体の燃料を還元剤として、それを加熱、気化さ
せてからNOx 触媒3へ供給するために、還元剤気化装
置4が取り付けられている。
【0004】従来の還元剤気化装置4の構造を図3に例
示する。内燃機関1の排気通路2のうちでNOx 触媒3
の上流側となる部分の壁面に形成された開口5に、還元
剤気化装置4の円筒形の外筒6が挿入されて固定されて
おり、外筒6の内部には厚肉の中空円筒形の加熱部7
と、それに連続して通路断面積が円錐状に拡大して排気
通路2内に開口するディフューザーである放出部8が支
持されている。円筒形の加熱部7の内面は還元剤を加熱
して気化させるための加熱面を形成するもので、図には
示していないが加熱部7の筒面には電熱線が密に巻かれ
ていて、その電熱線に通電することにより加熱部7全体
を加熱し、内面を流れる還元剤を加熱するようになって
いる。加熱部7の図3における左側には液体の還元剤で
ある軽油のような液体燃料を導入するための管路が接続
されて供給部9を形成している。
【0005】図3に示したような従来の還元剤気化装置
4においては、加熱部7に設けられた図示しない電熱線
に予め通電して加熱部7の温度を十分に高めた後に、還
元剤としてのHCである軽油のような液体燃料を供給部
9から供給して、液体燃料を加熱部7と接触させて気化
させるが、高温となっている加熱部7の内面である加熱
面10に低温の液体燃料が接触するため、加熱面10は
低温の液体燃料によって急冷されることになるので、加
熱部7付近は部分的に大きな温度差を有することにな
り、その温度差による部分的な熱膨張の程度の差によっ
て大きな熱歪みと熱応力が発生する。従って、そのよう
な熱衝撃が繰り返して加えられることによって加熱部7
の加熱面10が比較的短期間内に破損して剥落する。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】加熱面を電熱線によっ
て高温まで加熱し、次に加熱面を被加熱物である低温の
液体燃料によって急冷するという操作(冷熱サイクル)
を繰り返した場合に、加熱面と被加熱物との温度差ΔT
の大きさに応じて加熱面の寿命(サイクル数)がどのよ
うに変化するかということを実験によって調べた結果を
図4に示す。この図から判るように、加熱面と被加熱物
の温度差ΔTが大きいほど加熱面の寿命が短くなる。こ
れは高温の加熱面が被加熱物によって急冷されることに
よって大きな熱衝撃が加熱面に作用して、加熱面が破損
しやすくなるためである。しかし、温度差ΔTを一定値
ΔTs 以下の大きさに抑えると、冷熱サイクルによって
加熱面が破損することはなくなって加熱面の寿命が十分
に長くなる。これは一定の温度差ΔTs 以下の温度差に
よる熱衝撃が、加熱面の強度に対して十分に小さくなっ
たことを示している。なお、臨界的な値である一定の温
度差ΔTs の値は、加熱面の強度を支配する材質のみな
らず、寸法及び形状によって、また、繰り返して加えら
れる加熱、冷却の時間の長さ等によっても若干変化す
る。
【0007】そこで、本発明は、従来技術における前述
のような問題に鑑み、この実験結果から判った加熱面と
被加熱物との関係を利用して還元剤気化装置を改良する
ことによって、高温の加熱面が低温の還元剤によって冷
却される場合でも加熱面が損傷を受けることがなく、し
かも、低温の液体還元剤を十分に加熱して、NOx 触媒
のために完全に気化したガス状の還元剤を供給すること
ができるような、改良された還元剤気化装置を提供する
ことを発明の目的としている。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明は、前記の課題を
解決するための手段として、特許請求の範囲の各請求項
に記載された還元剤気化装置を提供する。請求項1の還
元剤気化装置においては、加熱すべき液体の還元剤と接
触する加熱面上に還元剤を流す前に、入口側から出口側
に向かって次第に温度が高くなる温度勾配を予め加熱面
に設定するので、その加熱面のどの部分においても還元
剤との温度差を、実験によって知り得る加熱面に熱衝撃
による破損を発生させる臨界的な温度差以下となるよう
に抑えながらも、還元剤を加熱面によって十分に気化す
ることができる程度に加熱することができる。
【0009】請求項2の還元剤気化装置においては、線
状発熱体が疎密分布を持って加熱面に付設されるので、
この線状発熱体に通電すると、還元剤を流す前に加熱面
に必要な温度勾配を予め与えることができる。また、請
求項3の還元剤気化装置においては、加熱面に肉厚の変
化を与えるので、何らかの加熱手段によって加熱面を一
様に加熱しても、加熱面の温度分布は必要な温度勾配を
呈することになる。更に、請求項4の還元剤気化装置に
おいては、加熱面自体を発熱可能な材質によって構成す
るので、別に発熱体を設ける必要がなく、還元剤気化装
置の構成全体が簡単なものになる。
【0010】このように、本発明によれば、低温の還元
剤が接触する加熱面上に入口から出口に向かって低温か
ら次第に高温となる温度勾配を設けることにより、加熱
面のどの部分でも被加熱物である還元剤との温度差が、
実験によって知り得る臨界的な温度差を越えないように
して熱衝撃を抑制するので、加熱面の破損を未然に防止
して、還元剤気化装置の耐用年数を延ばすことができ
る。
【0011】
【発明の実施の形態】図2の(a)に、本発明の第1実
施形態としての還元剤気化装置に使用される加熱部11
の形状或いは構造を示すと共に、図2の(b)の線図
に、その加熱部11の各部分における温度分布、即ち温
度勾配を示す。第1実施形態の加熱部11は、図3に示
す従来の加熱部7と同様に、肉厚が一定の金属製或いは
セラミック製の中空円筒からなり、上流側において供給
部9に接続して、矢印Fの方向に低温の液体燃料のよう
な還元剤の流れを受け入れると共に、還元剤がその内部
空間13を通過する間に気化温度を越える温度まで加熱
することにより、下流側において加熱部11に接続する
放出部8から排気通路2内へ放出するときに、気化した
ガス状の還元剤に変化させるものである。
【0012】第1実施形態の加熱部11の特徴は、加熱
部11の円筒形胴体14の外面に巻き付けた電熱線12
(一般的には線状発熱体)を、その密度が、円筒形胴体
14の図2の左側である供給部側の部分15において粗
になると共に、図2の右側である放出部側の部分16に
おいて密になるように、不等間隔に巻いた点にある。言
うまでもなく、電熱線12の設置位置は、加熱部11の
円筒形胴体14の外表面に巻き付ける場合に限られず、
円筒形胴体14の内部に埋め込む場合や、円筒形胴体1
4の内面17に沿って電熱線12を取り付ける場合もあ
り得る。また、電熱線12の疎密分布は、必ずしも厳密
に一定の変化率によって電熱線12のピッチを変化させ
る必要はなく、加熱部11の内面17の一部の温度と、
それに接触する還元剤の温度の間の温度差ΔTが、内面
17のどの部分でも、実験によって知り得る臨界的な温
度差ΔTs の値を越えない限り、疎密分布に多少の偏り
があっても問題はない。
【0013】図2(a)に示す第1実施形態の加熱部1
1においては、電熱線12に通電すると、電熱線12の
疎密配置によって、加熱部11の内面17に図2(b)
に示すような表面温度の温度勾配が得られる。そこで加
熱部11の内部空間13へ矢印Fの方向に還元剤として
の液体燃料を流すと、図2の左側、即ち供給部側の部分
15においては、内面17に接触する液体燃料が未だ入
口から入ったばかりであるため低温であるが、電熱線1
2の分布が粗であるために、円筒形胴体14の供給部側
の部分15の内面17の温度も供給部側では低くなって
いるので、その部分15において液体燃料と内面17の
温度差ΔTが実験によって知り得る臨界的な温度差ΔT
s の値を越えないように設定することができる。
【0014】また、加熱部11の放出部側の部分16で
は、電熱線12の分布が密になっているので、内面17
の温度が液体燃料を気化させるのに十分な程度に高くな
っているが、液体燃料も供給部側の部分15から放出部
側の部分16へ流れる間に加熱部11の内面17から熱
を吸収して温度が高くなっているので、放出部側の部分
16においても液体燃料の温度と内面17の温度との差
ΔTが臨界的な温度差ΔTs を越えないように設定する
ことができる。このように、第1実施形態の加熱部11
においては、加熱部11の内部空間13のどこにも温度
差ΔTが臨界的な温度差ΔTs を越える部分がないよう
に設定することを容易になし得るから、加熱部11のど
の部分にも大きな熱衝撃が加わることがないようにし
て、熱衝撃による破損を未然に防止することができる。
【0015】図5の(a)に、本発明の第2実施形態と
しての還元剤気化装置に使用される加熱部21の形状或
いは構造を示すと共に、図5の(b)の線図に、その加
熱部21の各部分における温度分布、即ち温度勾配を示
す。第2実施形態の加熱部21は、図2に示した第1実
施形態の加熱部11とは異なり、その胴体22の外形が
円錐形であって、供給部側の部分23が大径で、放出部
側の部分24が小径となっている。そして内部空間25
の直径はどこでも同じになっている。円錐形胴体22の
材質等は第1実施形態の場合と同様であり、還元剤であ
る液体燃料の流れも矢印Fの方向に導かれる。
【0016】第2実施形態の加熱部21の特徴は、前述
のような胴体22の形状によって、肉厚が供給部側の部
分23において比較的厚く、放出部側の部分24におい
て比較的薄くなっていることである。そのために、加熱
部21に巻き付けられた電熱線26の分布が図示したよ
うに均一であっても、還元剤の加熱面である加熱部21
の内面27における温度は、図5の(b)に示すよう
に、供給部側の部分23において低く、放出部側の部分
24において高くなる。従って、前述の第1実施形態の
場合と同様に、加熱部21の内面27のどの部分の温度
も、それに接触する液体燃料の温度に対して臨界的な温
度差ΔTs 以上の温度差を持つことがなくなるので、加
熱部21に熱衝撃による破損が起きるのを確実に防止す
ることができる。言うまでもなく、この場合にも必要に
応じて電熱線26を疎密配置としてもよい。
【0017】図示していないが、加熱面が円筒面や円錐
面のような曲面ではなくて、例えば平面であるような場
合には、以上の説明から推考することができるように、
加熱面に取り付けるか或いは埋め込む電熱線を、平面状
の加熱面に対して不等間隔のジグザグ状に配置するか、
或いは加熱面の板厚を変化させることによって、入口側
から出口側に向かって加熱面の温度が次第に高くなる温
度勾配を形成することができ、それによって第1実施形
態及び第2実施形態と同様な作用効果を奏することがで
きる。またそれとは別に、加熱面が通電されることによ
って発熱する材質から形成されている場合には、加熱面
そのものを発熱体とすることも可能であるが、この場合
にも、加熱面に温度勾配を設けることによって、同様の
作用効果を挙げることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】NOx 触媒システムの全体構成を概念的に例示
する部分的断面図である。
【図2】(a)は本発明の第1実施形態における加熱部
の構造を示す斜視図、(b)はその加熱部の温度分布を
示す線図である。
【図3】従来の還元剤気化装置の構造を例示する断面図
である。
【図4】加熱面と被加熱物との温度差による加熱面の寿
命の変化を調べた実験結果を示す線図である。
【図5】(a)は本発明の第2実施形態における加熱部
の構造を示す斜視図、(b)はその加熱部の温度分布を
示す線図である。
【符号の説明】
1…内燃機関 2…排気通路 3…NOx 触媒 4…従来の還元剤気化装置 7…従来の加熱部 8…放出部 9…供給部 11…第1実施形態における加熱部 12…第1実施形態における電熱線 14…円筒形胴体 15…供給部側の部分 16…放出部側の部分 17…内面 21…第2実施形態の加熱部 22…円錐形の胴体 23…供給部側の部分 24…放出部側の部分 26…電熱線 27…内面
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 大道 重樹 愛知県西尾市下羽角町岩谷14番地 株式 会社日本自動車部品総合研究所内 (56)参考文献 特開 平7−279649(JP,A) 特開 平7−208150(JP,A) 特開 平3−206314(JP,A) 特開 平8−177467(JP,A) 特開 平8−246850(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) F01N 3/08 F01N 3/28 F01N 3/36

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 排気ガス中のNOx を還元して浄化する
    ための触媒に対して液体の還元剤を加熱、気化させてか
    ら供給するために設けられ、加熱すべき前記還元剤と接
    触する加熱面上に前記還元剤を流す前に、入口側から出
    口側に向かって次第に温度が高くなる温度勾配を予め前
    記加熱面に与える手段を備えていることを特徴とする還
    元剤気化装置。
  2. 【請求項2】 前記加熱面に予め温度勾配を与える手段
    が、前記加熱面に対して疎密分布を持って付設された線
    状発熱体からなっている請求項1に記載の還元剤気化装
    置。
  3. 【請求項3】 前記加熱面に予め温度勾配を与える手段
    が、前記加熱面の肉厚の変化によって構成された請求項
    1に記載の還元剤気化装置。
  4. 【請求項4】 前記加熱面自体が発熱可能な材質からな
    る請求項1乃至3のいずれかに記載の還元剤気化装置。
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