JP4696039B2 - Urea water injection device for exhaust treatment equipment - Google Patents

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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。   The present invention relates to an engine exhaust treatment device, and more particularly to an exhaust treatment device that can efficiently remove nitrogen oxides in exhaust gas using urea water as a reducing agent.

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)。
Conventionally, in a diesel engine, a selective reduction type catalyst having a property of selectively reacting nitrogen oxide (hereinafter referred to as NOx) with a reducing agent even in the presence of oxygen is provided in the middle of an exhaust pipe through which exhaust gas flows. Equip and add the required amount of reducing agent (hydrocarbon, ammonia or its precursor) to the upstream side of this selective catalytic reduction catalyst, and this reducing agent is reduced on the selective catalytic reduction catalyst with NOx in the exhaust gas. In this way, the NOx emission concentration can be reduced. SCR (Selective Catalytic) is a NOx reduction method using this selective reduction catalyst.
Reduction), and urea that uses urea as a reducing agent is particularly called urea SCR. In order to apply this urea SCR to a vehicle, urea water is stored in a tank, and during operation, urea water supplied from this tank is injected into the exhaust passage, and urea is hydrolyzed using exhaust heat, A technique for reducing NOx by ammonia generated thereby is known (Patent Document 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。 Urea injected from the urea injection device generates ammonia (NH 3 ) from urea by the following chemical reaction.

(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。
(NH 2 ) 2 CO + H 2 O → 2NH 3 + CO 2
There are several types of reactions in which NOx is reduced by ammonia on a denitration catalyst, but the following reaction has the highest reaction rate at a relatively low temperature.

NO+NO2+2NH3 → 2N2+3H2
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。
NO + NO 2 + 2NH 3 → 2N 2 + 3H 2 O
Since NOx in the exhaust gas immediately after being discharged from the engine is mostly NO, in order to cause the denitration reaction, it is necessary that the half of the NO to NO 2. For this reason, the denitration reaction is promoted by placing an oxidation catalyst upstream of the urea injection device and making the NOx component NO: NO 2 = 1: 1 and then performing the denitration reaction. In addition, the oxidation catalyst can also function to raise the exhaust gas temperature by oxidizing hydrocarbons and the like.

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)。   In addition, when the exhaust gas temperature is low, the denitration reaction is difficult to occur, and the denitration performance is reduced. However, when adding urea water, the urea water is vaporized by heating with an electric heater, and the urea is converted into ammonia. There is also known a technique for effectively utilizing a denitration catalyst and enhancing NOx reduction performance by promoting the hydrolysis of NOx (Patent Document 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。   When injecting urea water into the exhaust gas, if the temperature of the exhaust gas is high, even if the urea water is directly injected, the urea water is vaporized by receiving heat from the exhaust gas, and the urea is contained in the exhaust gas. The NOx can be treated with ammonia generated from urea. However, when the temperature of the exhaust gas is low, it is difficult to completely vaporize the urea water only by the heat of the exhaust gas, and the sprayed urea water spray adheres to the wall surface of the flue and may cause precipitation. Occurs. Moreover, even if it does not adhere to the wall surface, the hydrolysis reaction of urea hardly proceeds, and the hydrolysis reaction of urea occurs on the denitration catalyst. When a denitration catalyst is used in the hydrolysis reaction, NOx reduction reaction with ammonia (= denitration reaction) is not performed, and the denitration reaction is performed on the downstream catalyst where the hydrolysis reaction has occurred. The area of denitration catalyst that can be used is reduced. If the temperature of the chemical reaction is low, the reaction rate is low, and if the exhaust gas temperature is low, the reaction rate of the denitration reaction also decreases, making it difficult to denitrate. It becomes difficult to denitrate. For this reason, when the exhaust gas temperature is low, the denitration performance is greatly reduced. In order to solve this problem, when the temperature of exhaust gas is low, it is effective to hydrolyze urea in advance and inject it into exhaust gas in the form of ammonia gas, and a urea water injection device equipped with an electric heater Is an effective means for improving the NOx removal performance at low exhaust temperatures.

特開2000−027627号公報JP 2000-027627 A 特開2005−344597号公報JP 2005-344597 A

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。   When vaporizing urea water with an electric heater, in order to consume electric power, it is necessary to increase the amount of electric power generated by the generator attached to the engine as compared with the case where this device is not used. Increasing the amount of power generation requires a larger generator. In addition, since the electric power consumed by the electric heater is likely to be larger than that of other electric components, the supplied current also increases, and the power supply device needs to be compatible with a large current. In order to reduce these problematic factors, it is necessary to reduce the power consumption of the electric heater for vaporizing the urea water.

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。   On the other hand, since the amount of heat necessary for vaporizing the urea water per unit mass is determined, it is extremely difficult to reduce the power consumption of the electric heater without changing the amount of urea water to be vaporized.

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。   In addition, when the current supplied to the electric heater is reduced to reduce power consumption without changing the urea water supply amount, the vaporization rate of the urea water is lowered and the temperature of the heat transfer surface in contact with the urea water is lowered. . When urea water is gently heated on the solid surface at about 200 ° C., only moisture is vaporized and solid urea is deposited. If further gentle heating is continued, solid urea is transformed into a stronger solid material such as cyanuric acid, and it becomes more difficult to remove the precipitate from the solid surface. If this deposition occurs on the heat transfer surface of the electric heater, solid matter may be deposited to block the flow path, and the function as the urea water supply device may not be performed.

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。   In addition, when a droplet is heated by bringing a droplet (a spray is composed of a large number of droplets) into contact with the solid surface, two heat transfers are performed when a liquid film is formed on the solid surface and when it is not formed. There is a form. The former is in the same state as so-called nucleate boiling, and the latter is in the same state as film boiling. In the case of film boiling, when the droplet contacts the heat transfer surface of the solid surface, the vapor generated by vaporization bounces off the droplet, so the droplet does not continue to contact the solid surface, A liquid film is not formed. In this case, since the droplet does not enter a state where it is gently heated on the surface of the solid, urea does not precipitate. However, since film boiling has a characteristic that the heat transfer coefficient is lower than that of nucleate boiling, if a heater is designed to cause film boiling, a problem arises that a larger heat transfer area is required.

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。   On the other hand, in the form in which a liquid film is formed on the solid surface, the heat transfer rate is improved by causing nucleate boiling, but the urea water is likely to be heated gently on the solid surface and may cause precipitation. There is a problem of improving the sex.

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。   In general, the spray density from the spray device decreases as the distance from the spray point increases. For this reason, in the place near the injection point, the density of spray is high, and the amount of spray that collides with the heat transfer surface may increase. However, when the spray is vaporized by film boiling, the spray rebounds immediately upon hitting the heat transfer surface and repeats contact with the downstream heat transfer surface again, so that the density of the spray reaching the heat transfer surface directly from the injection point And the density of sprays actually contacting the heat transfer surface does not match. For this reason, when the urea water spray is vaporized while causing film boiling on the heat transfer surface, there is a problem that the behavior of the spray becomes complicated and the optimum heating method for the heat transfer surface is unclear.

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。   In order to solve the above problems, the present invention mainly adopts the following configuration.

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。   An injection device that injects urea water in a spray form; and an electric heater that has a heat transfer surface that contacts the urea water injected from the injection device and heats and vaporizes the urea water. In the urea water injection device for an exhaust treatment device for injecting an ammonia component generated from urea water, the electric heater has a heat transfer surface in contact with the urea water injected from the injection device, and the electric heater The heat generation amount per unit area of the heat transfer surface is set to be lower in a place far from the injection point of the injection device than in a close place.

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。   At the same time, the amount of heat generated per unit area is made higher in a place near the injection point of the injection device than in a place far away. In the case of film boiling of the spray on the heat transfer surface, there has been a problem that the optimum heating method of the heat transfer surface becomes unclear because the droplets bounce downstream, but the inventors have made trial and error. Through experiments, we found that the distance from the injection point governs the amount of heat taken from the heat transfer surface per unit area for urea water spray. From this knowledge, we decided to increase the calorific value per unit heat transfer area near the injection point.

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。   Further, the electric heater uses a heating wire as a heating element, and the heating wire is a continuous heating wire, and the amount of heat generated per unit space at a location far from the injection point is close to the injection point. It is preferable that the heat generation amount per unit space is lower.

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。   In addition, the electric heater has a structure in which a heating wire is wound around the heat transfer tube, and the heat generation amount per unit space is increased by reducing the pitch of the heating wire in a place near the injection point of the injection device, rather than in a place far away. It is good to have a configuration.

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。   In addition, when using a heat transfer tube, a coiled object is provided on the inner surface of the heat transfer tube far from the injection point of the injection device, or a spiral groove is formed on the inner surface of the heat transfer tube far from the injection point of the injection device. It is preferable that the urea water spray be easily retained at a location far from the injection point.

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。   Moreover, when using a heat exchanger tube, it is good to make it the structure which made the internal diameter of the heat exchanger tube smaller than the near place in the place far from the injection point of an injection apparatus.

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。   In addition, in the case of using a heat transfer tube, the heat transfer tube is a straight tube parallel to the injection axis of the injection device in a place near the injection point of the injection device, and the heat transfer tube is bent in a place far from the injection point of the injection device. It is good to have a configuration.

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。   Further, in the case where a heat transfer tube is used, a part of the exhaust gas is divided into the heat transfer tube, and a part of the exhaust gas flows into the inlet portion of the heat transfer tube, and urea water spray is supplied from the injection device. It is preferable to have a structure in which the inlet portion of the heat transfer tube is provided close to the injection point of the urea water spray by providing a chamber to be injected, and providing the inlet portion of the heat transfer tube in a recessed portion recessed toward the inside of the chamber. .

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。   Further, when a heat transfer tube is used and the exhaust gas divided into the heat transfer tube is flowed, the central axis of the portion into which the diverted gas flows is eccentric with respect to the central axis of the heat transfer tube, thereby It is good to make it the structure which produces a swirl in the flow of the shunt gas in a pipe.

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。   Also, it is preferable that two heating wires are provided, and that each heating wire has a structure in which the heat generation amount per unit volume in each space is equal.

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。   When the urea water spray is brought into contact with the heat transfer surface and heated / vaporized by the electric heater, the heat generation amount per heat transfer area of the electric heater is made lower at a location far from the injection point than at a nearby location, so that The temperature of the electric heater itself does not rise too much, it becomes possible to reduce the heat loss that inevitably occurs according to the temperature of the electric heater and the outside, and it is consumed to vaporize the same amount of urea water It becomes possible to reduce the electric power of the electric heater.

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。   At the same time, by reducing heat loss at a location far from the injection point, in the case of the same power consumption as a whole, it is possible to increase power consumption at a location near the injection point. Increasing the heat generation amount per unit area of the heat transfer surface increases the heat transfer surface temperature, and the heat transfer mode between the urea water droplets and the heat transfer surface can be maintained by film boiling. Become. In the case of film boiling, a urea water liquid film is not formed on the heat transfer surface, and urea precipitation can be prevented. As a result, it is possible to avoid a situation in which urea is clogged by the urea water injection device and injection cannot be performed.

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。   Also, in the place near the injection point, even if the heat generation amount per unit heat transfer area is increased, the amount of heat taken away by the urea water is large, so the temperature of the electric heater does not rise more than necessary, and the increase in heat loss is suppressed. It is done.

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。   In addition, the heating wire is a heating element, and in one continuous heating wire, in a place far from the injection point, the heat generation density is lowered as compared with the above, thereby reducing power consumption and urea. In addition to being able to avoid the occurrence of clogging due to water precipitation, it is not necessary to install separate heating wires to make the heat density different, and the number of heating wires used can be reduced. become. When the number of heating wires is reduced, the heater can be easily manufactured and the reliability as a device is improved.

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。   Moreover, when realizing the above electric heater, the heating wire is wound around the heat transfer tube and the winding pitch of the heating wire is managed so that the heat generation density can be managed. It becomes possible to manufacture a heater whose density varies depending on the location.

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。   Even when a droplet is film-boiling on the heat transfer surface by providing a coiled object or a spiral groove on the inner surface of the heat transfer tube far from the injection point of the injection device, the coil The spray is trapped at the location of the groove, and the spray does not flow immediately downstream, and the urea water spray stays in contact with the heat transfer surface. Since urea water spray is overwhelmingly easier to transfer heat when it is in contact with the heat transfer surface than when it is floating in the space, heat transfer through the heat transfer tube at a location far from the injection point is improved. When the heat transfer is improved, the thermal resistance from the heating element to the urea water spray decreases, and the temperature difference required to transfer the same amount of heat can be reduced. This prevents the temperature of the heating element from rising too much. When the temperature of the heating element is lowered, heat loss to the outside is reduced, so that the power consumption of the electric heater can be reduced.

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。   At the same time, the structure that actively retains the urea water spray is not provided at a location near the injection point of the injection device, so that a decrease in heat transfer surface temperature at a location close to the injection point can be prevented, and urea is deposited. Can be avoided.

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。   Further, by reducing the inner diameter of the heat transfer tube far from the injection point, the amount of spray collision per unit area increases, and heat transfer between the spray and the heat transfer surface is improved. As a result, the temperature of the heating element at a location far from the injection point is lowered, and heat loss to the outside can be reduced. At the same time, by increasing the inner diameter of the heat transfer tube near the injection point, the amount of spray collision per unit area can be reduced, the temperature of the heat transfer surface can be prevented from decreasing, and urea can be prevented from precipitating. .

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。   Also, in a place near the injection point, the heat transfer tube should be a straight tube parallel to the injection axis, so that the droplet that collided with the inner surface of the heat transfer tube bounces back and increases the distance until it collides with the next heat transfer surface. Thus, the collision amount of the entire spray per unit area can be reduced, the temperature drop near the injection point can be prevented, and urea can be prevented from precipitating. At the same time, by bending the heat transfer tube at a location far from the injection point, the spray sprayed along the injection axis in the center of the heat transfer tube will surely collide with the inner surface of the heat transfer tube. The temperature of the heating element is lowered, and heat loss to the outside can be reduced.

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。   In addition, by bringing the tip of the heat transfer tube closer to the injection point than the opening into which the diverted gas flows, the heat transfer surface closest to the injection point among the surfaces to which the spray reaches can be heated with a heating wire. This makes it easy to prevent a temperature drop at the heat transfer surface closest to the injection point and to prevent precipitation of urea.

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。   In addition, the center axis of the location where the diverted gas flows in is decentered with respect to the central axis of the heat transfer tube, and the flow of the diverted gas in the heat transfer tube is swirled, so that the movement of the spray is swirled. The spray is pressed against the inner surface of the heat transfer tube by centrifugal force. Thereby, the heat transfer between the spray and the heat transfer tube is improved, the temperature of the heating element is lowered, the heat loss to the outside is reduced, and the power consumption can be reduced.

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。   Moreover, even if one heating wire is disconnected by providing two heating wires that change the heat generation density according to the distance from the injection point, even if one heating wire breaks, While preventing the precipitation of urea, it is possible to suppress the power consumption and continue operating the electric heater.

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。   Exhaust treatment apparatuses according to first to fourth embodiments of the present invention will be described in detail below with reference to FIGS.

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。   An exhaust treatment apparatus according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is a diagram showing an overall configuration of an exhaust treatment apparatus according to the first embodiment, in which a part of an exhaust outer wall is cut away in order to make the inlet of a diverted gas passage easier to see. FIG. 2 is a cross-sectional view in the present embodiment, and shows a relationship in a case where two methods are provided, that is, a method in which urea water is directly injected into exhaust gas and a method in which urea water is vaporized by an electric heater. FIG. 3 is a cross-sectional view in the present embodiment, and takes a cross section at a location where the structure of the heat transfer tube can be understood.

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。
In FIG. 1, exhaust gas 201 discharged from a diesel engine is injected with urea water 202 or 203 and passes through a downstream denitration catalyst (not shown), so that nitrogen oxides (NOx) in the exhaust gas. ) Is reduced. In diesel engine exhaust,
Since there is a problem that a large amount of NOx and particulate matter (PM) are contained, both of them may be reduced in the exhaust aftertreatment system. As an example of the aftertreatment system in that case, exhaust gas is purified by providing an oxidation catalyst, a filter, a urea injection device, a denitration catalyst, and a slip ammonia treatment catalyst in this order from the upstream. If there is a filter upstream of the urea injection device, soot in the exhaust gas is removed by the filter, so that it is possible to reduce soot from adhering to the urea injection device. Generally, since passing a filter is at a large pressure loss, in order to reduce this pressure loss, it is better to make the diameter of the exhaust pipe where the filter is installed larger than the normal exhaust pipe portion. This is a case where a urea injection device is installed immediately after the location where the diameter is increased, and a method in which urea water is directly injected into the exhaust and a method in which urea water is vaporized by an electric heater and then injected. In the case of an apparatus having two, the structure of the embodiment of the present invention is effective.

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。   FIG. 2 is a cross-sectional view in the direction indicated by the arrows AA in FIG. 1, and illustrates a method of injecting urea water directly into the exhaust gas by including a cross section of the urea water injection device 5. The urea water spray 206 is generated by injecting the urea water 202 from the urea water injection device 5 attached to the exhaust pipe 1, and this spray has the swirl blade 11 together with the exhaust gas, or the downstream exhaust pipe 3. By passing through this section, the exhaust gas 205 is sufficiently mixed with urea and is sent to the denitration catalyst. Further, the component 12 is for attaching the injection device 5 to the exhaust pipe 1. However, since the exhaust pipe 1 may become extremely high in some cases, a cooling medium such as a cooling urea solution is used as the attachment component 12. When the cooling is performed by circulating the air, it is possible to protect the injection device 5 that is an electrical component.

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。   Next, an injection device of the type in which urea water is vaporized by an electric heater and then injected will be described. This type of injection device includes an electric heater, an injection device 6 and a hydrolysis catalyst 10. A heat transfer tube 8 and a heating wire 9 in FIG. 1 constitute an electric heater in the present embodiment, and vaporize urea water of the urea water 203 injected from the injection device 6. For this purpose, a heat transfer surface in contact with the urea water is formed on the inner peripheral surface of the heat transfer tube 8. The heat transfer tube is often supplied with a urea water spray and a gas transporting it, and a diverted gas obtained by diverting a part of the exhaust gas is taken in. In order to show the intake port 103 for the diverted gas, a part of the exhaust pipe 1 is notched in FIG. 1 but is not notched in an actual product. A diverted exhaust introduction part 7 is connected to the inlet 103 of the diverted exhaust. At the same time, the urea water injection device 6 is attached to this part via an attachment part 13. The attachment component 13 can protect the injection device 6 by circulating the cooling medium in the same manner as the component 12.

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。   FIG. 3 is a cross-sectional view in the direction indicated by the arrow BB in FIG. 2, and shows a portion where the urea water is vaporized to cause a hydrolysis reaction. A part of the exhaust gas is introduced by the component 7 from the diversion exhaust inlet 103 (not shown because it is in front of the cross section, but the location is indicated by a phantom line), and at the same time, urea water injected from the injection device 6 The spray 207 is sent to the heat transfer tube 8. The component 7 forms a chamber into which the urea water spray 207 is injected from the injection device 6 and a part of the exhaust gas is introduced from the diverted exhaust inlet 103. The urea in the vaporized state here passes through the hydrolysis catalyst 10, whereby the hydrolysis reaction proceeds and ammonia gas is generated. The shunt gas 204 mixed with the ammonia gas fills the space between the outer wall 2 and the inner wall 3 and is discharged from the opening 104 provided near the blades of the fixed swirl vane 11 and mixed with the mainstream exhaust gas. And sent to the denitration catalyst.

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。   The heat transfer tube 8 is connected to the component 7 via the flange 14. The flange 14 is formed with a recess that is recessed from the connection side of the heat transfer tube 8 toward the injection device 6, and the heat transfer tube 8 is connected to the bottom of the recess. As a result, the connecting portion (inlet of the heat transfer tube 8) between the flange 14 and the heat transfer tube 8 is brought close to the injection point, so that the spray surely enters the heat transfer tube 8. The droplets constituting the urea water spray 207 spread radially due to the inertia at the time of injection. However, when the flange 14 has a flat plate shape, the inlet of the heat transfer tube 8 becomes far from the injection point which is the apex of the spray 207. The spray that protrudes from the heat transfer tube 8 and scatters easily occurs. On the other hand, if the attachment part of the flange 14 and the component 7 is brought close to the injection point, it interferes with the inlet 103 of the diverted gas. For this reason, only the inlet of the heat transfer tube 8 is brought close to the injection point, thereby preventing the spray from being scattered and increasing the vaporization efficiency of the spray. At the same time, when the inlet of the heat transfer tube 8 approaches the injection point, the heating wire 9 can also approach the injection point, and the amount of heat generated near the injection point can be increased. Further, by forming the flange 14 as a thin plate, the flange 14 is elastically deformed in response to thermal expansion generated when the heat transfer tube 8 is heated and the temperature rises, and has a function of alleviating the generation of thermal stress.

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。   The heat transfer tube 8 starts with a straight tube that is coaxial with the spray axis of the spray 207, but the diverted gas flowing into the heat transfer tube 8 is guided perpendicularly to the paper surface through the inlet 103, but the center of the inlet 103 is the center of the heat transfer tube 8. It is not orthogonal to the central axis. In such a relationship, the flow passing through the inlet 103 has an angular momentum when flowing through the heat transfer tube 8, and the gas flow in the heat transfer tube 8 can be swirled. When the gas flow is swirled, the spray affected by the flow is swirled, and the spray is pressed against the inner surface of the heat transfer tube 8 by the centrifugal force. When the spray is pressed toward the heat transfer surface and comes into contact, the heat is easily transferred and the vaporization performance is improved.

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。   A single sheath-type heating wire 9 is wound around the heat transfer tube 8, and the cross-sectional structure of the heating wire 9 is such that an appropriate insulating material is used after filling the inside of the surface sheath with an electrical insulating material. When a resistance conductive wire exists and current flows through the conductive wire, heat is generated in proportion to the product of the two currents and the electrical resistance. Further, since the electric wire for supplying current to the heating wire and the terminal portion 101 for connecting the heating wire are provided on only one side, it is possible to provide two conductive wires for generating heat in the cross section of the sheath. . In addition, one conductive wire in the sheath is used, and one end of the conductive wire is electrically short-circuited by coming into contact with the sheath. 101 can be only on one side.

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。   The pitch for winding the heating wire 9 around the heat transfer tube 8 is most honey at the upstream side of the heat transfer tube 8, and when the heat generation amount per unit length of the heating wire is constant, the pitch is wound as honey. However, the calorific value per unit surface area of the heat transfer tube increases. In the case of the present embodiment, the broken line representing the spray 207 in FIG. 3 is the inner surface of the heat transfer tube 8 as the location where the spray injected from one injection point directly reaches and the spray collides with the heat transfer tube. It is useful for preventing precipitation of urea by having the highest collision density at the intersection and making the winding pitch of the heating wire at this place the most nectar. When vaporizing a liquid consisting of a single component such as water, vaporization occurs depending on the applied heat, so it is desirable to use a uniform heat flux because the entire heat transfer surface can be used effectively. The urea water has a special problem that precipitation occurs if the vaporization process is poor. For this reason, the amount of heat generated per unit area of the heat transfer surface, which is the inner surface of the heat transfer tube 8, is made non-uniform so that a portion with a high heat flux of heat flowing in the thickness direction of the heat transfer tube is formed, and the temperature necessary for heat conduction Even if the difference is increased, it is effective to give priority to the prevention of precipitation. When the collision density of the spray that collides with the heat transfer surface is high, the temperature tends to decrease because the vaporization heat is taken away from the heat transfer surface with the collision of the spray. Increasing the heat generation density of the heating wire in such a place helps increase the temperature of the heat transfer surface, and if the temperature can be maintained above a certain level, the form of heat transfer between the droplet and the solid surface will cause film boiling. It is possible to prevent the urea water from becoming a liquid film and adhering to the heat transfer surface, thereby producing an effect of preventing the precipitation. Further, since there is a harmful effect on increasing the heat generation density, in addition to the heat generation density, in order to reduce the collision amount per unit area of the spray that collides with the heat transfer tube near the injection point, the inner diameter of the heat transfer tube 8 is set downstream. It is thicker than the side. Changing the inner diameter of the heat transfer tube and increasing the diameter near the injection point is useful for maintaining the heat transfer surface temperature above the film boiling temperature, and has the effect of preventing urea precipitation.

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。   The heat transfer tube 8 is tapered after the straight tube portion to reduce the diameter, so that it becomes possible to increase again the collision density where the spray directly colliding from the injection point decreases away from the injection point. . This is because the inner surface of the taper faces the injection point, and the heat transfer performance is improved because the spray easily hits the heat transfer surface.

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。   The heat transfer tube 8 is tapered so that the inner diameter becomes smaller after that. However, when spraying is caused by film boiling on the heat transfer surface, the droplets repelled from the heat transfer surface face each other. Colliding with the heat transfer surface, the small tube diameter means that the heat transfer surfaces facing each other are close, and the droplets tend to collide with the heat transfer surface frequently, improving heat transfer performance. To do.

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。   Furthermore, by providing the heat transfer tube 8 with a bent portion, the liquid droplets that have passed through the center of the straight tube portion also collide with the inner wall surface at the bent portion, and may contact the heat transfer surface once. It can help to improve the vaporization rate of the spray. Further, by providing a bend away from the injection point, it compensates for a decrease in spray collision, and lowers the heat transfer resistance for transferring heat from the heating wire 9 to the spray, thereby suppressing the temperature rise of the heating wire 9. Can be connected to reduce heat loss. Moreover, the temperature reduction of the heating wire 9 is achieved by setting the winding pitch of the heating wire 9 to a larger pitch than near the injection point. At the same time, the bend is included in the heat transfer tube, thereby reducing the thermal stress and increasing the durability of the heat transfer tube.

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。   The heat transfer tube 8 is connected to the flue member 2 through the outlet flange 15 and promotes the hydrolysis reaction of urea by passing a gas through the hydrolysis catalyst 10 disposed there. If the chemical reaction in which urea is decomposed is described in more detail, it can be divided into the following two-stage reactions.

(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。
(NH 2 ) 2 CO → HNCO + NH 3
HNCO + H 2 O → NH 3 + CO 2
That is, urea is once decomposed into isocyanic acid (HNCO) and ammonia (NH 3 ), and further, isocyanic acid (HNCO) reacts with water (H 2 O) to form the remaining ammonia and carbon dioxide. It is. Among these reactions, the first half is a thermal decomposition reaction, and the second half is a hydrolysis reaction. The pyrolysis reaction is an endothermic reaction and can occur by heating urea. On the other hand, the hydrolysis reaction is an exothermic reaction, and it is difficult for the reaction to proceed simply by raising the temperature, and the presence of the catalyst greatly improves the reaction rate. When performing the thermal decomposition reaction and the hydrolysis reaction together on the hydrolysis catalyst, the heat generated by the exothermic reaction can be passed to the endothermic reaction, which is efficient. I need. In the form of FIG. 3, the hydrolysis catalyst 10 is not heated. However, if the thermal decomposition reaction of urea is caused in the heat transfer tube 8, only an exothermic reaction is caused on the catalyst. The reaction is accelerated even if not performed.

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。   The hydrolysis catalyst 10 includes a method in which a catalyst is applied to a ceramic honeycomb and a method in which a catalyst is applied to a metal sheet that has been finely bent to increase the surface area. Ceramics have the advantage that a structure with an increased surface area is easy to make, and metal catalysts have the advantage that they are not easily broken even when subjected to external forces such as vibration. In any structure, since it is necessary to increase the surface area, a pressure loss occurs when the shunt gas flows. When this pressure loss is large, the flow rate of the diverted gas decreases. If the volume of the diverted gas flow path is determined, if the flow rate of the gas flowing through it decreases, it will take a long time to enter and exit, and until the urea injected there comes out as ammonia It will take time at the same time. If this time delay is large, controllability of ammonia is controlled when the amount of ammonia added is controlled according to changes in exhaust gas. For this reason, it is effective to reduce the pressure loss by increasing the cross-sectional area of the hydrolysis catalyst. For this reason, although the internal diameter of the heat exchanger tube 8 in front is small, the diameter of the hydrolysis catalyst 10 is larger than that.

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。   Ammonia is produced from urea by passing through the hydrolysis catalyst, and the gas 204 in a state where the ammonia and the split exhaust gas are mixed exits from the opening 104 near the fixed swirl vane 11, and enters the inner exhaust passage 4. Mix with the mainstream exhaust gas flowing through. The fixed swirl 11 itself is stationary, but when gas passes through it, swirl occurs in the gas flow. In the present embodiment, the swirl vane 11 is composed of eight blades. When the gas flows around the blades, the flow is bent depending on the angle of the blades, and the collected flow becomes a swirl flow. However, a separation vortex is generated around each blade because the flow cannot be bent. . The opening 104 which is the outlet of the diverted gas is preferably provided at the place where the separation vortex is generated, and by the effect of the separation vortex, the mainstream exhaust gas and the divided gas containing ammonia can be mixed well in a short section. For this reason, it is preferable to provide the opening part 104 for every blade | wing of the turning blade 11, and if it is an 8-blade, it is preferable to provide 8 places.

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。   In addition, if the concept of the present invention is applied, it is possible to inject urea water into a heat transfer tube having the same shape without introducing a diverted gas, to vaporize the urea water, and to mix it with exhaust gas. .

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。   Also, as a means of changing the amount of heat generated per unit area of the heat transfer surface, the electric resistance per unit length of the conductive wire that generates heat is made different depending on the location, instead of changing the winding pitch of the heating wire. But it is feasible. In this case, since the flowing current is the same between the continuous heating wires, heat generation in proportion to the electric resistance can be obtained. That is, the heating wire near the injection point has a smaller electrical resistance per unit length by reducing the diameter of the conductive wire inside the heating wire, and the amount of heat generated per unit length increases. When the heating wire configured as described above is wound around the heat transfer tube at an equal pitch, the heat generation amount per unit heat transfer surface can be increased near the injection point.

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。   In addition, it is possible to reduce heat loss by installing separate heaters at locations near and far from the injection point so that the heat generation per heat transfer area of the heater far from the injection point is reduced. Is possible.

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。   An exhaust treatment apparatus according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 4 shows only the portion related to the electric heater in the urea water injector, and is a diagram at the same cross-sectional position as FIG. Also, parts having the same function as in the first embodiment are distinguished from the first embodiment by adding the same number to the sign, followed by the letter b, but the description is omitted because the function is the same. .

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。   In the present embodiment, two heating wires 16 and 17 are used, and the pitch of each heating wire is niche near the injection point and the winding pitch is increased at a location far from the injection point. With this configuration, the heating wires 16 and 17 usually share and consume half of the required power, generate the necessary heat, and if one of the heating wires breaks, The heating wire consumes all the necessary power and generates the necessary heat. With such a configuration, even when a trouble that one heating wire is disconnected occurs, it can serve as an electric heater without impairing the ability to prevent deposition and reduce power consumption.

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。   Furthermore, in the present embodiment, a spiral coil 18 is inserted inside the heat transfer tube 19. The coil 18 has the same effect as providing a projection on the inner surface of the heat transfer tube 19, and the droplet that collides with the coil 18 has the effect of jumping downstream and making it difficult to stay in place. If the droplet stays in place, even if it is film boiling, the number of times of contact with the heat transfer surface increases, so that heat is transmitted well and the evaporation rate is improved. At the same time, the temperature of the heating wires 16 and 17 is also lowered, so that heat loss can be reduced. For this reason, in order to effectively utilize the effect of the coil 18, a linear portion is provided after the tapered portion where the diameter of the heat transfer tube 19 is reduced, and the coil 18 is disposed on the inner surface from the linear portion. If this coil is provided near the injection point, urea may be deposited due to excessive spray retention, so it is preferable that the coil be installed from a location away from the injection point. Further, the diverted gas flowing in the heat transfer tube 19 flows in from a position eccentric to the left side from the central axis, and therefore, when flowing through the vertical portion of the heat transfer tube 19, it is swung in the direction of the right screw. For this reason, it is preferable that the coil 18 is also twisted in the right-handed direction, and the flow along the coil 18 enhances the swirl, thereby increasing the centrifugal force applied to the spray and increasing the contact between the droplet and the heat transfer surface. Leads to. The swirling flow generated in the diverted gas is weakened by passing through the bent portion. However, since the coil 18 is still present, the function of retaining the spray is generated, so the coil 18 extends from the straight portion of the heat transfer tube 19 to the bent portion. It is preferable to install.

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。   The diverted gas and spray after passing through the heat transfer tube 19 are sent to the hydrolysis catalyst 10b. However, since the hydrolysis catalyst preferably has a larger diameter to reduce pressure loss, in this embodiment, the heat transfer tube Finally, a tube expansion part is provided. Moreover, in order to vaporize the spray which could not be vaporized by the time it reaches the hydrolysis catalyst 10b, the heating wires 16 and 17 are wound to the outside of the pipe containing the hydrolysis catalyst so that all the sprays can be vaporized. I have to. When heating is also performed from the outside of the hydrolysis catalyst, it is preferable to configure a catalyst using a metal as a carrier in order to improve heat transfer characteristics.

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。   In addition, by providing a spiral groove on the inner surface of the heat transfer tube 19 instead of providing the coil 18, it is possible to retain the spray and improve the heat transfer performance.

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。   An exhaust treatment apparatus according to a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 5 is a front view of the structure of the exhaust treatment apparatus according to the third embodiment, in which only the portion that vaporizes urea water is taken up. FIG. 6 is a cross-sectional view taken along the line AA in FIG. 5, and FIG. 7 is an external view showing only the components around the heating wire. In addition, as in the past, parts having the same function are identified by the same reference numeral, followed by c.

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。   In FIG. 5, the split exhaust gas flows in from the inlet 103 c provided in the part 7 c, receives urea water injection and vaporization, passes through the hydrolysis catalyst 10 c, and then mixes with mainstream exhaust gas (not shown). Perform denitration treatment. In the present embodiment, the heating wire 9c is arranged inside the outer tube 23 that forms the branch passage. The inlet side of the outer tube 23 is joined to the flange 14c, and this flange 14c is connected to the component 7c. Further, the outlet side of the outer tube 23 is joined to a flange 21, and this flange 21 is connected to the flange 22 of the tube 24 holding the hydrolysis catalyst. Further, the heating wire 9c is sandwiched between the flanges 21 and 22 so as to be connected from the outside to the inside of the pipe line while being sealed, and is connected to the electric wire for supplying power at the terminal portion 101c.

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。   The cross-sectional view of FIG. 6 shows the inside of the outer tube 23, and the outer tube 23 is provided with a heating wire 9 c, an inner cylinder 19, and a terminal plate 20 of the inner cylinder. The heating wire 9c has a structure wound around the inner cylinder 19, and is wound around the pitch near the injection point and with a large pitch near the injection point. Further, the inlet side of the outer tube 23 extends ahead of the flange 14c and serves as a guide vane that imparts a swirl to the flow of the diverted gas at the front end portion 105. There is a urea water injection device (not shown) at the upper part of the component 7 c, from which urea water is injected to form a spray 207.

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。
The inner cylinder 19 and the inner cylinder end plate 20 are constituted by a perforated plate, and a part of the spray colliding with the inner cylinder 19 can pass through. In this way, in addition to being able to use the inner surface of the inner cylinder 19 as a heat transfer surface, the surface of the heating wire 9c, the inner surface of the outer tube 23, and the outer surface of the inner tube 19 are also used as heat transfer surfaces. It will be usable. For this reason, a large heat transfer area can be obtained in a short flow path section, and the heat transfer performance can be dramatically improved. At the same time, the heating wire is adjusted by adjusting the pitch of 9c according to the spray collision density, so that the heating wire itself has a constant calorific value per unit length, while preventing precipitation of urea and preventing overheating of the heating wire. Is planned. In addition, since the heating wire 9c is on the inner side of the heat transfer surface of the outer tube 23, it is not necessary to heat the outer surface of the outer tube 23, the temperature of the outer surface can be lowered, and heat loss can be reduced. Figured. Moreover, increasing the heat transfer area by the inner cylinder 19 formed of a perforated plate also leads to a reduction in the outer area where heat loss occurs. Furthermore, compared with the case where the spray 207 directly collides with the heating wire 9c, the heat load applied to the heating wire 9c is reduced when the inner cylinder 19 is present. That is, at the local surface of the heating wire 9c, there is a time when the droplet collides and the other heat transfer surface is dry. At the moment when the droplet collides, the surface temperature of the heating wire 9c is instantaneously lowered due to the heat being taken away, and when it passes, the temperature rises again. For this reason, a temperature change is large, and repeated thermal stress is generated. Although this becomes a factor which reduces the durability of the heating wire 9c, the durability of the heating wire 9c is improved by reducing the spray in which the inner cylinder 19 directly collides with the heating wire 9c. Further, the inner cylinder end plate 20 is a perforated plate, so that the shunt gas can pass therethrough, and at the same time, the spray at the center of the inner cylinder 19 can collide to improve the vaporization rate.

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。   The pipe 24 holding the hydrolysis catalyst 10c has the same outer diameter as that of the outer pipe 23 so as to share parts, but the cross-sectional area through which the fluid can pass is wider than the inner side of the inner cylinder 19. This is because the thickness of the inner cylinder 19 and the thickness of the heating wire 9c can also be used for gas circulation, thereby reducing the pressure loss in the hydrolysis catalyst and increasing the surface area of the catalyst. Therefore, sufficient ammonia is produced.

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。   FIG. 7 is an external view in which only parts around the heating wire are extracted, but the shape of the distal end portion 105 of the outer tube 23 is shown particularly clearly. The distal end portion 105 is provided with four notches in the outer tube 23, and these notches are eccentric with respect to the central axis of the tube. For this reason, the diverted gas flowing in through the notch flows eccentrically with respect to the center, and this creates a swirling flow of gas. Further, the turning direction can be synergistically caused by matching with the turning caused by the eccentricity of the inlet portion 103c shown in FIG.

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。
An exhaust treatment apparatus according to a fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 8 is a front view of the structure of the exhaust treatment apparatus according to the fourth embodiment, in which only the portion that vaporizes urea water is taken up. 9 represents a cross-sectional view taken along the line B-B in FIG. 8, and FIG. 10 is an external view showing only parts around the heating wire. In addition, as in the past, parts having the same function are identified by the same reference numeral, followed by d.

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。   In FIG. 8, the diverted exhaust gas flows from the inlet 103 d provided in the component 7 d, is subjected to urea water injection / vaporization, passes through a hydrolysis catalyst (not shown) after the pipe 27, and then illustrated. Denitration treatment is performed by mixing with the mainstream exhaust gas.

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。   The cross-sectional view of FIG. 9 shows the internal structure, in which there is a tapered inner cylinder 25 inside the outer tube 23d, and the heating wire 9d is wound around it. Between the heating wire 9d and the outer tube 23d, there are four plates 29 for fixing the pitch of the heating wires, every 90 degrees. An end plate 26 is provided at the end of the inner cylinder 25.

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。   10, the relationship between the heating wire 9d, the tapered inner cylinder 25, and the pitch fixing plate 29 is shown in an external view.

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。
In the present embodiment, since the inner cylinder 25 has a tapered shape whose diameter decreases as it goes first, spraying is easier to hit even on a surface far from the injection point. The inner cylinder 25 and the end plate 26 are composed of perforated plates, and the surface of the heating wire 9d and the inner surface of the outer tube 23d can be used as a heat transfer surface. Further, since the inner cylinder 25 is tapered and the outer tube 23d is a straight tube, a gap is generated between the heating wire 9d and the outer tube 23d, but the pitch fixing plate 29 is used to heat the heating wire 9d. Since it also serves to transmit to the inner surface of the outer tube 23d, the outer tube 23d can sufficiently serve as a heat transfer surface, and at the same time, precipitation of urea can be avoided.

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。   Further, by using the gasket 30 for the flanges 21d and 28 for drawing the heating wire 9d to the outside, the sealing performance is improved and the shunt gas does not leak outside.

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。   The gas that has passed through the heater section passes through the bent pipe 27 connected to the flange 28 and is sent to a hydrolysis catalyst (not shown). However, by utilizing the fact that the inner cylinder 25 is tapered, The bent tube 27 has a smaller diameter than the tube 23d. A bent tube with a small diameter is easier to reduce the bending radius, which helps to reduce the size of the equipment. For this reason, if the tube diameter in the bending passage is reduced, the size can be reduced, and if the passage diameter is increased thereafter, the pressure loss does not need to increase. Further, since the pipe line 27 is narrowed, it is difficult for the shunt gas to pass through the inner cylinder 25 and then flow into the pipe line 27. Thereby, most of the diverted gas flows inside the inner cylinder 25. In this case, the flow velocity of the diverted gas increases as the diameter of the inner cylinder 25 becomes tapered, and the swirling speed increases if swirling occurs at the inlet. This also increases the centrifugal force against the spray, so the force that presses the spray against the heat transfer surface is increased, and it is possible to have high heat transfer performance while adopting the heat transfer form of film boiling. It is possible to improve performance and reduce power consumption.

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。1 is a diagram illustrating an overall configuration of an exhaust treatment apparatus according to a first embodiment of the present invention. 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。It is AA arrow sectional drawing of the exhaust-gas treatment apparatus which concerns on the 1st Embodiment of this invention. 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。FIG. 3 is a cross-sectional view of the exhaust treatment device according to the first embodiment of the present invention as viewed in the direction of arrows BB in FIG. 2. 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。It is sectional drawing of the location similar to FIG. 3 of the urea water vaporization part which concerns on the 2nd Embodiment of this invention. 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。It is a front view of the urea water vaporizer which concerns on the 3rd Embodiment of this invention. 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。It is AA arrow sectional drawing in FIG. 5 of the urea water vaporizer which concerns on the 3rd Embodiment of this invention. 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。It is a bird's-eye view of only the components around a heating wire among urea water vaporizers concerning a 3rd embodiment of the present invention. 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。It is a front view of the urea water vaporizer which concerns on the 4th Embodiment of this invention. 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。It is BB arrow sectional drawing in FIG. 8 of the urea water vaporizer which concerns on the 4th Embodiment of this invention. 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。It is a bird's-eye view of only the components around a heating wire among urea water vaporizers concerning a 4th embodiment of the present invention.

符号の説明Explanation of symbols

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
1, 2, 3 Exhaust pipe 4 Exhaust inner flow path 5, 6 Urea water injector 7 Divided exhaust introduction part 8, 19 Heat transfer pipe 9, 16, 17 Heating wire 10 Hydrolysis catalyst 11 Swirling blades 12, 13 Injector attachment part 14 Heat transfer tube inlet flanges 15 and 21 Heat transfer tube outlet flange 18 Coil 25 Inner tube 20 and 26 Inner tube end plate 22 Hydrolysis catalyst holding portion flange 23 Split flow passage outer tube 24 Hydrolysis catalyst hold portion 27 Split gas bending passage 28 Split flow Gas bending passage flange 29 Heating wire pitch fixing plate 30 Gasket 101 Heating wire terminal connection portion 103 Split exhaust inlet 104 Split exhaust outlet 105 Split flow swirl generator 201, 205 Exhaust gas 202, 203 Urea water 204 Split gas 206 containing ammonia 207 Urea water spray

Claims (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、低くするとともに、
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。
An injection device that injects urea water in a spray form; and an electric heater that has a heat transfer surface that contacts the urea water injected from the injection device and heats and vaporizes the urea water. In the urea water injection device for the exhaust treatment device that injects the ammonia component generated from the urea water,
The amount of heat generated per unit area of the heat transfer surface of the electric heater is lower at a place far from the injection point of the injection device than at a close place ,
The electric heater is configured to heat urea water spray through a heat transfer tube in which the heat transfer surface is formed, and to distribute a part of the exhaust gas to the heat transfer tube,
A portion of the exhaust gas flows into the inlet of the heat transfer tube and a chamber in which urea water spray is injected from the injection device;
The urea water for an exhaust treatment apparatus , wherein the inlet portion of the heat transfer tube is provided in a recess recessed toward the interior of the chamber, thereby bringing the inlet portion of the heat transfer tube closer to the injection point of the urea water spray. Injection device.
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