(57)【要約】【課題】低排気ガス温度で少排気ガス量の低負荷領域から、高排気ガス温度で多排気ガス量の高負荷領域までの全運転領域において、コンパクトな構成で低消費電力でＮＯｘを除去すること。【解決手段】エンジンの排気煙道５と、排気煙道に設けられた脱硝触媒反応器６と、尿素水を噴射して供給する噴射弁と、を備えた排気処理装置であって、排気ガスの分流手段を設け、分流排気ガスの通路７２ａに尿素水を噴射する第１の噴射弁５０を設け、第１の噴射弁によって噴射された尿素水を加熱して尿素蒸気とする気化器６１ａ，６２ａを設け、気化器の下流側に尿素水を噴射する第２の噴射弁３０を設置し、低排気温度のときに第１の噴射弁５０から噴射した尿素水噴霧から生成された尿素蒸気を排気煙道５に供給し、高排気温度のときに第２の噴射弁３０から噴射した尿素水噴霧を排気煙道に供給する構成とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンの排気ガスを導く排気煙道と、前記排気煙道に設けられて窒素酸化物を還元する脱硝触媒反応器と、前記脱硝触媒反応器の上流側で尿素水を噴射して前記排気煙道に供給する噴射弁と、を備えた排気処理装置であって、
エンジンの低負荷領域である低排気温度のときに、前記噴射弁から噴射した尿素水噴霧を気化させて尿素蒸気として前記排気煙道に供給し、
エンジンの高負荷領域である高排気温度のときに、前記噴射弁から噴射した微粒化した尿素水噴霧を前記排気煙道に供給する
ことを特徴とする排気処理装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記低排気温度のときに、加熱手段を有する気化器によって前記尿素水噴霧を気化促進させて尿素蒸気を供給することを特徴とする排気処理装置。
【請求項３】
請求項２において、
前記低排気温度のときに、前記尿素蒸気を加水分解触媒を通過させることによってアンモニアガスとして前記排気煙道に供給することを特徴とする排気処理装置。
【請求項４】
請求項１、２又は３において、
前記尿素蒸気、前記尿素水噴霧、または前記アンモニアガスを前記排気煙道に供給搬送する流体は、前記排気煙道を流れる排気ガスの一部を分流する分流ガスであることを特徴とする排気処理装置。
【請求項５】
エンジンの排気ガスを導く排気煙道と、前記排気煙道に設けられて窒素酸化物を還元する脱硝触媒反応器と、前記脱硝触媒反応器の上流側で尿素水を噴射して前記排気煙道に供給する噴射弁と、を備えた排気処理装置であって、
前記排気煙道を流れる排気ガスの一部を分流する分流手段を設け、
前記分流手段によって分流された分流排気ガスの流れる通路に尿素水を噴射する第１の噴射弁を設置し、
前記第１の噴射弁によって噴射された尿素水を加熱して尿素蒸気とする気化器と、前記気化器内または前記分流排気ガス通路下流側にアンモニアガスを生成する加水分解触媒を配設し、
前記加水分解触媒の前記分流排気ガス通路下流側に尿素水を噴射する第２の噴射弁を設置し、
前記第２の噴射弁の下流側に前記分流排気ガス通路が前記排気煙道に連通する尿素蒸気、尿素水噴霧またはアンモニアガスの出口部を配設し、
エンジンの低負荷領域である低排気温度のときに、前記第１の噴射弁から噴射した尿素水噴霧から生成された尿素蒸気及び／又はアンモニアガスを前記出口部を通して前記排気煙道に供給し、
エンジンの高負荷領域である高排気温度のときに、前記第２の噴射弁から噴射した尿素水噴霧を前記出口部を通して前記排気煙道に供給する
ことを特徴とする排気処理装置。
【請求項６】
エンジンの排気ガスを導く排気煙道と、前記排気煙道に設けられて窒素酸化物を還元する脱硝触媒反応器と、前記脱硝触媒反応器の上流側で尿素水を噴射して前記排気煙道に供給する噴射弁と、を備えた排気処理装置であって、
前記排気煙道を流れる排気ガスの一部を分流する分流手段を設け、
前記分流手段によって分流された分流排気ガスの流れる通路に加熱手段を有する伝熱面付き気化器を設置し、
前記気化器の伝熱面に向けて尿素水を噴霧する噴射弁を設け、
前記噴射弁から噴射された尿素水噴霧の外周から気流を衝突させて前記噴霧の外径形状を縮小変更する形状変更手段を設置し、
前記噴射弁の下流側に前記分流排気ガス通路が前記排気煙道に連通する尿素蒸気または尿素水噴霧の出口部を配設し、
エンジンの低負荷領域である低排気温度のときに、前記噴射弁から噴射した尿素水噴霧を前記気化器の伝熱面での加熱によって尿素蒸気とし、前記尿素蒸気を前記出口部を通して前記排気煙道に供給し、
エンジンの高負荷領域である高排気温度のときに、前記噴射弁から噴射した尿素水噴霧を前記形状変更手段で前記噴霧の外径形状を縮小して前記伝熱面に接触させずに前記出口部を通して前記排気煙道に供給する
ことを特徴とする排気処理装置。
【請求項７】
エンジンの排気ガスを導く排気煙道と、前記排気煙道に設けられて窒素酸化物を還元する脱硝触媒反応器と、前記脱硝触媒反応器の上流側で尿素水を噴射して前記排気煙道に供給する噴射弁と、を備えた排気処理装置であって、
前記排気煙道を流れる排気ガスの一部を分流する分流手段を設け、
前記分流手段によって分流された分流排気ガスの流れる通路に加熱手段を有する伝熱面付き気化器を設置し、
前記気化器の伝熱面に向けて尿素水を噴霧する噴射弁を設け、
前記噴射弁から噴射された尿素水噴霧の噴射方向垂直断面の噴霧中心方向へ向かって気流を供給させて噴霧を狭角化する狭角化手段と、前記噴射方向垂直断面の噴霧外接円接線方向へ向かって気流を供給させて噴霧を広角化する広角化手段とを設置し、
前記噴射弁の下流側に前記分流排気ガス通路が前記排気煙道に連通する尿素蒸気または尿素水噴霧の出口部を配設し、
エンジンの低負荷領域である低排気温度のときに、前記噴射弁から噴射した尿素水噴霧を、前記広角化手段の動作により前記気化器の伝熱面で加熱させることによって尿素蒸気とし、前記尿素蒸気を前記出口部を通して前記排気煙道に供給し、
エンジンの高負荷領域である高排気温度のときに、前記噴射弁から噴射した尿素水噴霧を、前記狭角化手段の動作により前記気化器の伝熱面に接触させずに、前記出口部を通して前記排気煙道に供給する
ことを特徴とする排気処理装置。
【請求項８】
エンジンの排気ガスを導く排気煙道と、前記排気煙道に設けられて窒素酸化物を還元する脱硝触媒反応器と、前記脱硝触媒反応器の上流側で尿素水を噴射して前記排気煙道に供給する噴射弁と、を備えて排気ガス中の窒素酸化物を除去する排気処理方法において、
まず、エンジンの低負荷領域である低排気温度のときに、前記噴射弁から噴射した尿素水噴霧を気化させて尿素蒸気としてこの尿素蒸気を前記排気煙道に供給し、
次いで、エンジンの高負荷領域である高排気温度になったときに、前記噴射弁から噴射した微粒化した尿素水噴霧を直接に前記排気煙道に供給する
ことを特徴とする排気処理方法。
【請求項９】
エンジンの排気ガスを導く排気煙道と、前記排気煙道に設けられて窒素酸化物を還元する脱硝触媒反応器と、前記脱硝触媒反応器の上流側で尿素水を噴射して前記排気煙道に供給する噴射弁と、を備えた排気処理装置であって、
前記排気煙道を流れる排気ガスの一部を分流する分流手段を設け、
前記分流手段によって分流された分流排気ガスの流れる通路に尿素水を噴射する第１の噴射弁を設置し、
前記第１の噴射弁によって噴射された尿素水を加熱して尿素蒸気とする気化器を配設し、
前記気化器の前記分流排気ガス通路下流側に尿素水を噴射する前記第２の噴射弁を設置し、
前記第２の噴射弁の下流側に前記分流排気ガス通路が前記排気煙道に連通する尿素蒸気または尿素水噴霧の出口部を配設し、
前記排気ガスの排気温度が所定の温度範囲内であるときに、前記第１の噴射弁から噴射した尿素水噴霧から生成された尿素蒸気と、前記第２の噴射弁から噴射した尿素水噴霧との混合割合を適宜に変化させて、前記混合された前記尿素蒸気と前記尿素水噴霧とを前記出口部を通して前記排気煙道に供給する
ことを特徴とする排気処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、排気処理装置および処理方法に係り、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および処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
大型トラック、バス等のディーゼルエンジンから、排出される排気ガスに含まれる窒素酸化物（以下、ＮＯｘと記す）は、光化学スモッグの原因となる物質である。これらを排出する車両に対してＮＯｘの排出規制が強化されるため、排気脱硝装置の設置が急務となっている。その除去（脱硝）方法として、毒性の無い尿素を還元剤として使用し、ＮＯｘを高効率で低減し得るようにすることが検討されている。
【０００３】
たとえば、還元剤に尿素水を利用し、比較的低い温度領域から高いＮＯｘ低減率を得られるようにするために排気管内に配設されたＮＯｘ還元触媒を装備し、且つＮＯｘ還元触媒の上流側に還元剤として尿素水を添加するように構成した排気浄化装置において、排気管の長手方向における尿素水の添加位置とＮＯｘ還元触媒との間に尿素分解触媒を設け、尿素水を前段の尿素分解触媒にてアンモニアと二酸化炭素に分解させ、これにより得られた反応性の高いアンモニアによりＮＯｘを効率良く還元処理する。このように、尿素水をそのままＮＯｘと反応させる場合よりも比較的低い温度領域からＮＯｘを還元浄化させることを可能とした排気浄化装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
また、上述した排気浄化装置の尿素分解触媒を配設しない排気浄化装置として、尿素ＳＣＲシステムが提案されている（例えば、非特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００２−１６１７３２号公報
【非特許文献１】小高松男著「超低エミッションディーゼル機関への挑戦」日本機械学会誌、２００２．１０  Ｖｏｌ．１０５  Ｎｏ．１００７、Ｐ．２３
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述した特許文献１に示すような従来の技術は、尿素水の添加位置とＮＯｘ還元触媒の間に尿素分解触媒を配設し、尿素分解触媒へ直接尿素水を添加（噴射）する構成である。これにより、尿素分解触媒にて尿素水をアンモニアと二酸化炭素に分解し、分解したアンモニアでＮＯｘをＮＯｘ還元触媒上にて反応させ、ＮＯｘを効率良く還元処理している。
【０００６】
しかし、尿素水を直接尿素分解触媒へ供給するために、尿素分解触媒へ尿素水を均一に分散供給することが難しい。また、尿素水の尿素分解触媒上での分解には、比較的時間を費やすことが懸念される。これらのことから、尿素分解触媒へは、尿素水を排気ガスと気化、混合促進が容易な尿素蒸気等で供給することが好ましい。
【０００７】
その手段として、噴射ノズルから尿素分解触媒までを所定距離確保し、尿素水が尿素分解触媒に到達するまでの間に排気ガスの排熱によって尿素水を加熱・気化促進する手法があるが、発明者らの計算によると噴射された尿素水噴霧が気化するには、排気ガスの所定流速時に尿素水噴霧の液滴径１００μｍ程度では、たとえば煙道長さを１．５ｍ程度必要となる。また、液滴径２００μｍ程度の場合には、６．２ｍ程度の煙道長さが必要である。これは、システムの大型化につながり車載には好ましくない。
【０００８】
また、排気ガスの排熱から気化のための熱量を得る手段は、排気ガス温度が高いときにＮＯｘが大量に発生することを鑑みると有効な方法ともいえるが、エンジン始動時は排気ガス温度が低く、排気ガス量も少ないため、十分に気化促進が図られない。よって、始動時等の低温時には、効率的にＮＯｘを還元浄化させることが難しい。
【０００９】
つぎに、大型トラック、バスなどディーゼルエンジンを搭載した車両に、尿素水を気化し、加水分解したアンモニアを脱硝触媒反応の還元剤として用いた排気処理装置を適用する場合、たとえば、ある運転状態での所定量の尿素水（５０ｃｃ／ｍｉｎ、３２．５ｗｔ％、２５℃）を気化し加水分解するために、最低限必要な熱量は２．４ｋＷ程度である。車載バッテリからこれだけの電力を得るのは困難である。
【００１０】
本発明の目的は、還元剤として取り扱いが容易な、たとえば尿素水を用い、始動時などの低排気ガス温度で少排気ガス量の低負荷領域から、高排気ガス温度で多排気ガス量の高負荷領域までの全運転領域対応と、コンパクトな構成で応答性が良く、および低消費電力として車載用に適したＮＯｘを除去することができる排気処理装置および処理方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
前記課題を解決するために、本発明は主として次のような構成を採用する。  
エンジンの排気ガスを導く排気煙道と、前記排気煙道に設けられて窒素酸化物を還元する脱硝触媒反応器と、前記脱硝触媒反応器の上流側で尿素水を噴射して前記排気煙道に供給する噴射弁と、を備えた排気処理装置であって、
エンジンの低負荷領域である低排気温度のときに、前記噴射弁から噴射した尿素水噴霧を気化させて尿素蒸気として前記排気煙道に供給し、
エンジンの高負荷領域である高排気温度のときに、前記噴射弁から噴射した微粒化した尿素水噴霧を前記排気煙道に供給する構成とする。
【００１２】
また、前記排気処理装置において、前記低排気温度のときに、加熱手段を有する気化器によって前記尿素水噴霧を気化促進させて尿素蒸気を供給する構成とする。
【００１３】
また、エンジンの排気ガスを導く排気煙道と、前記排気煙道に設けられて窒素酸化物を還元する脱硝触媒反応器と、前記脱硝触媒反応器の上流側で尿素水を噴射して前記排気煙道に供給する噴射弁と、を備えた排気処理装置であって、
前記排気煙道を流れる排気ガスの一部を分流する分流手段を設け、
前記分流手段によって分流された分流排気ガスの流れる通路に尿素水を噴射する第１の噴射弁を設置し、
前記第１の噴射弁によって噴射された尿素水を加熱して尿素蒸気とする気化器と、前記気化器内または前記分流排気ガス通路下流側にアンモニアガスを生成する加水分解触媒を配設し、
前記加水分解触媒の前記分流排気ガス通路下流側に尿素水を噴射する第２の噴射弁を設置し、
前記第２の噴射弁の下流側に前記分流排気ガス通路が前記排気煙道に連通する尿素蒸気、尿素水噴霧またはアンモニアガスの出口部を配設し、
エンジンの低負荷領域である低排気温度のときに、前記第１の噴射弁から噴射した尿素水噴霧から生成された尿素蒸気及び／又はアンモニアガスを前記出口部を通して前記排気煙道に供給し、
エンジンの高負荷領域である高排気温度のときに、前記第２の噴射弁から噴射した尿素水噴霧を前記出口部を通して前記排気煙道に供給する構成とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によると、エンジンの運転状態が、低負荷領域（低排気温度）から高負荷領域（高排気温度）まで脱硝触媒へ尿素蒸気およびアンモニアガスを供給可能であるために、エンジンの全運転領域にて排気ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）を効率良く除去（脱硝）することができる。
【００１５】
さらに、尿素水を気化する気化器は、低負荷領域（低排気温度）にのみ使用するために、気化すべき尿素水の量が少なく無駄な電力を使用する必要が無く、低消費電力であり、コンパクトな構成の排気処理装置および排気ガス処理方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明の第１、第２及び第３の実施形態に係る排気処理装置について、図１〜図１０を参照しながら以下詳細に説明する。
【００１７】
「第１の実施形態」
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４を参照しながら以下説明する。図１は本発明の第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。図２は図１に示す排気処理装置のＡ部の拡大図である。図３は本発明の第１の実施形態に係る排気処理装置の動作を説明する図である。図４は本発明の実施形態に係る排気処理装置における、脱硝触媒入口温度と脱硝率との関係を示す図である。
【００１８】
図１において、ディーゼルエンジン１は、コントロールユニット２に入力する各種信号に基づき燃料噴射量と噴射タイミングを決定している。また、図示しないＥＧＲバルブ、これと併用してＥＧＲ率の制御範囲を広げるための吸気スロットルを有している。
【００１９】
ディーゼルエンジン１から排出される排気ガス８の通路である煙道３内下流には、黒煙粒子状物質等の微粒子を除去するための微粒子除去装置ＤＰＦ（Ｄｉｅｓｅｌ  Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ  Ｆｉｌｔｅｒ）４が煙道３と煙道５の間に設置され、その下流の煙道５と煙道７の間には、脱硝触媒（ＳＣＲ：Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ  Ｃａｔａｌｙｔｉｃ  Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ：選択還元型ＮＯｘ触媒）６が配設される。さらにその下流には、図示しないマフラー等が配設されている。また、煙道５には、尿素蒸気出口部７１が配設され、その下流には混合促進材１１が配設されている。
【００２０】
そして、ＤＰＦ４の下流側の煙道５には、分流管入口７３が開口し、分流ガス９ａが流入する構成である。分流管入口７３下流側には、分流管７２ａを介して旋回室６５ａが配設されいる。旋回室６５ａ内には旋回部材５９ａが配設されている（図２を参照）。旋回室６５ａおよび旋回部材５９ａの下流側には、ヒータホルダー６０ａ内に内蔵された伝熱管６２ａ内面で構成された通路６６が配設され、通路６６内の下流側には、加水分解触媒６３ａが配設されている。
【００２１】
ここで、還元剤である尿素水１３が、サブ噴射弁５０から噴霧５８として、伝熱管６２ａ内の通路６６に噴射供給されるごとく、冷却ホルダー５２内に配設されたサブ噴射弁５０が旋回室６５ａおよび旋回部材５９ａの上流側に配設されている。なお、ヒータホルダー６０ａと冷却ホルダー５２の間には、断熱部材５７が配設されている。さらに冷却ホルダー５２内には、サブ噴射弁５０の外周部に沿って所定空間を持った冷却水空間５３が形成されている。
【００２２】
つぎに、加水分解触媒６３ａ下流には、分流管７０内部で構成される通路６７ａが配設されている。通路６７ａは、尿素蒸気出口部７１を介して煙道５と連通している。また、尿素蒸気出口部７１下流側の煙道５内には、混合促進材１１が配設されている。
【００２３】
ここで、還元剤である尿素水１３が、メイン噴射弁３０から噴霧３８として、分流管７０内の通路６７ａに噴射供給されるごとく、冷却ホルダー３２内に配設されたメイン噴射弁３０が分流管７０の上流側に配設されている。なお、分流管７０と冷却ホルダー３２の間には、断熱部材３７が配設されている。断熱部材３７には、後述するメイン噴射弁３０から噴射される噴霧３８が通過可能なごとく噴孔３６が穿かれている。さらに冷却ホルダー３２内には、噴射弁３０の外周側に沿って所定空間を持った冷却水空間３３が形成されている。
【００２４】
排気処理装置１２０ａ内を通過する分流ガス９ａ流れは、ＤＰＦ４下流の煙道５上流部の分流管入口７３から流入し、煙道５下流部の尿素蒸気出口部７１から煙道５に再び戻る構成である。すなわち、煙道５に配設された分流管入口７３を介して、分流管７２ａ、旋回室６５ａおよび旋回部材５９ａ、通路６６、加水分解触媒６３ａ、通路６７ａ、尿素蒸気出口部７１、そして、分流管入口７３より下流側の煙道５に連通する構成である。
【００２５】
さらに、煙道５内である尿素蒸気出口部７１下流側には、混合促進材１１が配設されている。混合促進材１１は、軸流方向に所定長さを持った円筒状のリング外周面に複数枚の翼が形成された形状であり、排気１０流れおよび混合ガス９ｄ流れを煙道５内で旋回流に変えて、両流体の混合を促進するための部材である。
【００２６】
さらに、煙道５，７内には、排気温センサ１９、ＮＯｘセンサ２０、ＮＨ３センサ２１が配設されている。また、エンジンにはエンジンクランクセンサ等の各種センサが配設されている。これらのセンサからの出力信号をもとに、ディーゼルエンジン１の運転条件等を把握し、ヒータ６１ａの最適設定温度やメイン噴射弁３０、サブ噴射弁５０の噴射量の制御を行っている。
【００２７】
つぎに、尿素水タンク１２から噴射弁３０，５０等に供給される尿素水１３の供給経路につき説明する。尿素水タンク１２に蓄えられた尿素水１３は、フィルタ１５、ポンプ１４、配管１７ａから分岐した配管１７ｂ、尿素水入口３１を介して、メイン噴射弁３０へ圧送される。一方、配管１７ａから分岐した配管１７ｃ内を流入する尿素水１３は、尿素水入口５１を介して、サブ噴射弁５０へ圧送される。メイン噴射弁３０、サブ噴射弁５０への尿素水供給圧力は、レギュレータ１６にて所定尿素水圧力に調圧されている。
【００２８】
一方、レギュレータ１６にて調圧した後の戻り尿素水は、配管１８ａを通過して、冷却ホルダー３２に穿たれた冷却水入口３４から冷却水空間３３に流入した後、冷却水出口３５から配管１８ｂへ流出する。つぎに、配管１８ｂに流出した尿素水は、冷却ホルダ−５２に穿たれた冷却水入口５４から冷却水空間５３に流入し、冷却水出口５５から配管１８ｃへ流出する。そして、配管１８ｃに流出された尿素水は、タンク１２内へ戻る構成である。この調圧した後の戻り尿素水の流れによって、電磁噴射弁であるメイン噴射弁３０およびサブ噴射弁５０の冷却を促進し、排気熱による各噴射弁３０，５０の磁気回路を安定して動作させるとともに、各噴射弁３０，５０内にて尿素水１３の析出を防止させる構成である。これによって、安定して各噴射弁３０、５０より、尿素水噴霧３８，５８を煙道５内に供給可能となる。
【００２９】
図２は、図１中のＡ部拡大図を示す。図２を用いて排気処理装置１２０ａの詳細な構成および排気ガス流れとメイン噴射弁３０およびサブ噴射弁５０から噴射された尿素水噴霧３８，５８と排気ガス流れ９ａとの混合ガス流れ９ｂ，９ｃ等につき説明する。
【００３０】
ディーゼルエンジン１から排出された排気ガス８は、ＤＰＦ４を通過後、煙道５上流部に配設された分流管入口７３を介して流入すると分流ガス９ａと煙道５内へ流入する排気ガス１０に分流される。分流ガス９ａは、分流管７２ａを通過し、旋回室６５ａに流入する。ここで、旋回室６５ａ内には旋回部材５９ａが配設されている。そのために、分流ガス９ａは旋回部材５９ａを通過し、その下流に配設された通路６６へ旋回流となって流入する。
【００３１】
また、エンジンの運転状態（主に窒素酸化物（以下、ＮＯｘと記す）の排出量、排気温度等）に応じて、冷却ホルダー５２内に配設されたサブ噴射弁５０から、伝熱管６２ａ内部である通路６６に向けて、尿素水噴霧５８を噴射する。したがって、尿素水噴霧５８は分流ガス９ａ流れにのって、伝熱管６２ａ内面の通路６６内を旋回流れとして通過する。通路６６内を旋回しながら通過するため、通路６６内壁面に接触する時間が確保でき、通路６６内壁面から噴霧５８への熱伝達が促進でき効率的に噴霧５８の気化促進が図られる。
【００３２】
ここで、伝熱管６２ａの外壁面には、発熱体であるヒータ６１ａが配設されている。ヒータ６１ａの外周部には、断熱効果を高めるために所定の空間６４ａが配設されている。さらに、空間６４ａの外周は、ヒータホルダー６０ａが配設されている。
【００３３】
本実施形態ではヒータ６１ａにシーズヒータを適用し、図示しない温度センサによって検出されたヒータ温度を、温度調節器によって温度調整している。また、発熱体であるヒータ６１ａは、シーズヒータに限定するものではなく、伝熱管６２ａ内壁面にて、尿素水を気化させるのに充分な発熱量を発生できる発熱体であれば良い。たとえば、発熱体にＰＴＣ（Ｐｏｓｉｔｉｖｅ  Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ  Ｔｈｅｒｍｉｓｔｏｒ）ヒータのようなヒータを用いても良い。このヒータは、電極に電流を印加することにより、発熱を行うものであり、ヒータの温度が所定温度以上になると、電気抵抗が急増し電流が低下することにより、温度を一定に保持することのできるセラミックヒータである。この場合、ヒータが自己温度調節できるために、ヒータ温度調節のための温度センサは、必要無く装置の小型化が図れる。
【００３４】
さらに、伝熱管６２ａの外壁面に配設するヒータ６１ａをひとつに限定するものではなく、複数本のヒータを用いて伝熱管６２ａの温度制御を行っても構わない。これは、前記伝熱管６２ａ外壁面に複数のシーズヒータを巻付け、部分的に伝熱管６２ａを温度調整できることにより、伝熱管６２ａ内壁面に尿素水噴霧５８が局所的に集中する領域に多量の熱量を供給でき、噴霧５８が集中しない領域には、適度の熱量を供給することができるために、無駄な熱量を伝熱管６２ａ内壁面へ供給することなく尿素水噴霧５８を効率的に気化できるものである。
【００３５】
たとえば、噴霧５８が最初に通路６６内壁面に噴射（衝突）する場合、噴霧５８が高温の分流ガス９ａおよび高温の通路６６内壁面に接する時間が短く、噴霧液滴の温度がさほど上昇していない。よって、噴霧５８と通路６６内壁面との温度差が大きく、比較的多量の熱量を必要とする。しかし、通路６６下流に行くに従い、噴霧５８は分流ガス９ａおよび通路６６内壁面から熱を受け、噴霧液滴の温度上昇が図られるとともに気化が促進される。よって、通路６６内壁面の上流側領域は、比較的多量の発熱量を必要とし、その他の領域は、多量の発熱量を必要とせず、通路６６内壁面において適正な発熱量分布や温度分布を持たせることが好ましい。  
伝熱管６２ａ内の下流側には、脱硝触媒６へ尿素水噴霧５８およびその蒸気を加水分解し、ＮＨ３ガスを供給するためのハニカム状の加水分解触媒６３ａが配設されている。この加水分解触媒６３ａも伝熱管６２ａ外周にまかれたヒータにより昇温することが可能であり、分流ガス９ａが比較的低温時から加水分解触媒６３ａを早期活性化温度以上とすることが可能となり、比較的排気温度の低い時から脱硝率の向上が図れる。ここで、加水分解触媒６３ａは、ハニカム形状に限定するものではなく、ハニカム形状や板状のパラレルフロー型や粒状のものでも良い。
【００３６】
さらに、加水分解触媒６３ａ下流の分流管７０内へは、メイン噴射弁３０から煙道５内へ向かって直接に尿素水噴霧３８を供給する構成である。その際、尿素水噴霧３８は、分流ガス９ａもしくは混合ガス９ｂと混合した後、混合ガス９ｃとなり尿素蒸気出口部７１を通過する。その後、煙道５内を通過する排気１０と混合促進しながら混合ガス９ｄとなって、煙道５内の尿素蒸気出口部７１下流へ流入する。さらに、混合ガス９ｄは、混合促進材１１を通過することよって、排気１０と混合ガス９ｄが、より均一に混合促進されて、混合ガス２２となる。
【００３７】
つぎに、図３を用いて、本発明の第１の実施形態に係る排気処理装置１２０ａの動作を説明する。ディーゼルエンジン１において、エンジン１からの排気８の流量および温度は、運転状態に応じて変化する。その際に、排出されるＮＯｘ量も運転状態に応じて変化する。たとえば、一般的にエンジン１が低負荷運転の場合には、比較的排気流量も少なく排気温度も低く、ＮＯｘ排出量も少ない。また、エンジン１が高負荷運転の場合には、排気流量も多く排気温度も高く、ＮＯｘ排出量も多い。
【００３８】
以上のようなエンジン１の運転状態であり、ＮＯｘの排出量に応じて還元剤である尿素水１３を煙道５に供給（添加）する手法において、本実施形態では、エンジン１からの排気温度が比較的低温である３００℃程度未満の場合、伝熱管６２ａ外周部に配設されたヒータ６１ａへの通電を行い（ヒータＯＮ）、ヒータ６１ａを発熱させ、伝熱管６２ａ内の通路６６内壁面を加熱する。その際、エンジン１から排出されるＮＯｘ量に見合った、還元剤である尿素水噴霧５８をサブ噴射弁５０から通路６６内へ所定量噴射する。よって、通路６６内では、主にヒータ熱により尿素水噴霧５８が尿素蒸気に気化促進されながら、加水分解触媒６３ａを通過する。
【００３９】
加水分解触媒６３ａを通過することにより、尿素水噴霧５８の加水分解が促進されて、ＮＨ３ガスに変換される（加水分解触媒によってＮＨ３ガスに１００％変換されることにはならず、実際にはＮＨ３ガスと尿素蒸気の混合気となる）。よって、尿素蒸気出口部７１では、尿素水噴霧５８は気化促進され、ほぼガス状態で通過する（図３上段グラフ＜気化領域＞）。そして、分流ガス９ａとＮＨ３ガスの混合ガス９ｂとして、分流管７０内へ供給された後、尿素蒸気出口部７１から煙道５へ供給される。その後、煙道５内に配設された混合促進材１１にて、排気１０と混合促進した後に混合ガス２２として、脱硝触媒６へ供給される。この時、尿素水噴霧５８を含む混合ガス２２は、脱硝触媒６へ到達するまでには、気化促進された状態で供給される。
【００４０】
一方、排気温度が比較的高温である３００℃程度以上の場合には、伝熱管６２ａ外周部に配設されたヒータ６１ａへの通電はせず（ヒータＯＦＦ）、ヒータ６１ａによる伝熱管６２ａ内の通路６６内壁面の加熱は行わない。また、サブ噴射弁５０からの通路６６への尿素水噴霧５８の供給は行わない。ここでは、エンジン１から排出されるＮＯｘ量に見合った還元剤である尿素水噴霧３８をメイン噴射弁３０から分流管７０内の通路６７ａへ噴射する。
【００４１】
ここで、通路６７ａ内では、分流ガス９ａの排気熱により気化促進されながら混合ガス９ｃとして尿素蒸気出口部７１へ供給されるが、その際、混合ガス９ｃは完全に気化されず、尿素水噴霧の状態である（図３上段グラフ＜噴霧領域＞）。その後、煙道５内に配設された混合促進材１１にて、排気１０と混合促進した後に混合ガス２２として脱硝触媒へ供給される。このとき、尿素水噴霧３８を含む混合ガス２２は、脱硝触媒６へ到達するまでに、メイン通路の高温の排気１０の熱量によって、気化促進された状態で供給される。
【００４２】
なお、本実施形態において、排気温度３００℃程度を境界条件にして、メイン噴射弁３０およびサブ噴射弁５０からの尿素水噴霧の噴射を制御したが、排気温度３００℃近傍およびそれ以外の温度領域において、各噴射弁３０，５０から噴射される尿素水噴霧３８，５８の噴射量割合を調整することによっても、高いＮＯｘの脱硝率を得ることが可能である。よって、ある排気温度領域に、どちらか一方の噴射弁のみから噴射すると限定するものではない。たとえば、図３中の排気温度２５０℃程度から３００℃程度の排気温度条件において、伝熱管６２ａの外周部に配設されたヒータ６１ａを通電するとともに、メイン噴射弁３０とサブ噴射弁５０から噴射される尿素水噴霧３８，５８の噴射量を各々調整して、尿素蒸気出口部７１に所定の割合にて尿素蒸気と噴霧を供給可能としても良い。
【００４３】
ここで、メインおよびサブ噴射弁３０，５０は、噴霧の微粒化特性の優れた噴射弁噴孔の上流側にて、噴射流体を旋回供給し噴霧を供給する上流旋回式噴射弁を用いることが好ましい。しかし、噴射弁を上流旋回方式の噴射弁に限定するものではない。微粒化特性の優れた噴射弁であれば、多方式の噴射弁を用いることによっても本実施形態を実現することが可能である。
【００４４】
上述したように、エンジン１の運転状態に応じて微粒化特性の優れた噴霧５８を所定量噴射することによって、伝熱管６２ａ内通路６６上を噴霧５８が分流ガス９ａにのって旋回流となるために、通路６６を軸流方向へそのまま通過する場合に比べ、より多くの尿素水噴霧５８が気化可能となる。なお、本実施形態に用いたメインおよびサブ噴射弁３０，５０は、電磁弁を適用している。よって、噴射量は、電磁弁のデューティー制御によって噴射量を調整している。
【００４５】
以上説明した構成および動作によれば、ディーゼルエンジン１から排出される排気８の温度条件によって、尿素蒸気出口部７１を介して煙道５に供給される尿素水噴霧の形態を、尿素蒸気およびＮＨ３ガス、もしくは尿素水噴霧とすることにより、エンジン１の全運転領域において、常に脱硝触媒へ還元剤である尿素水噴霧３８，５８を尿素蒸気もしくはＮＨ３ガスとして供給可能であるために高い脱硝性能を得ることが可能である。すなわち、エンジン１から排出されるＮＯｘが、大気へ放出することを大幅に改善できる。さらに、尿素水噴霧を気化するための消費電力は、低排気温度時である運転領域にヒータにて積極的に気化促進し、高排気温度時である温度領域に排気ガス熱にて気化する。したがって、脱硝性能を保持しつつ低消費電力化が図れる。
【００４６】
また、エンジン１の低排気温度領域において、ＮＯｘの排出量は高排気温度領域に比べて少ないため、還元剤である尿素水噴霧５８の添加量も少ない。しかし、低排気温度領域にて分流ガス９ａの排気熱のみにて尿素水噴霧５８を瞬時に気化することは難しく、装置の大型化および性能悪化が懸念される。その対策として、本実施形態では、低排気温度領域にのみヒータ６１ａ熱を活用し、積極的に気化促進させたことにより、装置の小型化および性能改善を図った。
【００４７】
一方、エンジン１の高排気温度領域において、ＮＯｘの排出量は比較的多いため、還元剤である尿素水噴霧３８の添加量も多量となる。しかし、高排気温度領域にて、排気ガスの排熱のみにて尿素水噴霧を瞬時に気化することが可能である。よって、本実施形態では、高排気温度領域には尿素水噴霧を直接煙道５へ供給し、排気熱にて積極的に気化させた。
【００４８】
図４を用いて、本実施形態の効果を説明する。図４は、エンジン１の所定回転時における煙道５下流側の混合ガス２２の脱硝触媒入口温度と脱硝率の関係を示す。図中点線で示す従来仕様は、煙道５内に尿素水噴霧を直接供給した場合であり、実線で示す本発明では、低排気温度時にサブ噴射弁５０から供給される尿素水噴霧５８をヒータ６１ａの熱にて積極的に気化促進し煙道５へ供給し、高排気ガス温度領域では、メイン噴射弁３０から供給される尿素水噴霧３８を直接、煙道５に供給したものである。
【００４９】
本実施形態により、エンジン１から排出される排気８の排気温度に応じて、低排気温度時はＮＯｘの還元剤である尿素水１３を気化促進した後、尿素蒸気およびＮＨ３ガスで供給し、高排気温度時は尿素水１３を微粒化促進して噴霧３８として直接煙道５に供給した。これにより、エンジン１の全運転領域（全排気温度領域）において、還元剤である尿素水１３を脱硝触媒６に尿素蒸気およびＮＨ３ガスとして供給可能であり（高排気温度時は尿素蒸気の割合が多く、低排気温度は加水分解触媒を通っているのでＮＨ３ガスの割合が多い）、高い脱硝性能を得ることが可能となる。特に、低回転、低負荷領域である脱硝触媒入口温度の低い領域において、著しい脱硝率の向上が図れる。だとえば、脱硝触媒入口温度２００℃において、ＮＯｘの脱硝率が得られなかったものが、本発明を用いることにより５０％程度まで改善できる効果がある。
【００５０】
「第２の実施形態」
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５〜図８を参照しながら以下説明する。図５は本発明の第２の実施形態に係る排気処理装置の詳細構成を示す図である。図６は図５に示す排気処理装置のＣ部の拡大図である。図７は第２の実施形態に係る排気処理装置において用いる尿素水噴霧の噴霧粒径分布を示す図である。図８は本発明の第２の実施形態に係る排気処理装置の動作を説明する図である。
【００５１】
図５において、本発明の第２の実施形態における主な構成および排気ガス流れは第１の実施形態と同様のため説明を省略する。第１の実施形態との違いは、図１中のＡ部の排気処理装置１２０ａと１２０ｂとの構成の違いにある。特に、第１の実施形態がメイン噴射弁３０とサブ噴射弁５０の２つの噴射弁を配設した排気処理装置１２０ａであるのに対して、第２の実施形態では、噴射弁３９を１つだけ配設している。さらに、エンジン１の運転状態に応じて、排気流れとは別の圧縮空気流れを用いて、噴射弁３９から噴射される噴霧４１ａ，４１ｂの形状を変化させ、噴霧尿素蒸気出口部７１から煙道５へ供給される還元剤である尿素水１３を尿素蒸気および噴霧にて供給可能としたことに特徴がある。ここで、尿素蒸気とは気体状態であり、噴霧とは液滴群である。
【００５２】
第２の実施形態において、分流ガス９ａはＤＰＦ４下流の煙道５上流側に開口された分流管入口７３を介して、分流管７２ｂ下流側に配設された旋回室６５ｂ内に配設された旋回部材５９ｂへ流入し、旋回部材５９ｂの流路構造により、ヒータホルダー６０ｂ内に配設された伝熱管６２ｂ内の通路６７ｂ内にて旋回流となって供給される。さらに、通路６７ｂの下流は、尿素蒸気出口部７１を介して煙道５に連通しているために、分流ガス９ａは、再び煙道５内へ供給される構成である。ここで、尿素蒸気出口部７１下流側の煙道５内には、混合促進材１１が配設されている。混合促進材１１の構成は、第１の実施形態と同様の構成であるため説明を省略する。混合促進材１１下流の煙道５内には、加水分解触媒６３ｂが配設されている。
【００５３】
また、ヒータホルダー６０ｂ内には、通路６７ｂをその内面で構成する伝熱管６２ｂが配設されている。伝熱管６２ｂの外周にはヒータ６１ｂが配設されている。さらにヒータ６１ｂの外周には、断熱効果を目的とした空間６４ｂが配設され、その外周部にヒータホルダー６０ｂが配設された構成である。また、尿素蒸気出口部７１形状は、第１の実施形態と同様の構成のため説明を省略する。
【００５４】
伝熱管６２ｂ内に配設された通路６７ｂへは、還元剤である尿素水噴霧４１ａ、４１ｂを噴射供給可能なごとく、旋回室６５ｂの上流側に配設された冷却ホルダー３２内に配設された噴射弁３９が配設されている。噴射弁３９の外周には冷却ホルダー３２内側に冷却水空間３３が形成されている。冷却水空間３３には、レギュレータ１６により調圧供給された尿素水１３が尿素水入口４０を介して尿素水噴射弁３９に供給される以外のレギュレータ１６からの戻り尿素水１３が、冷却水入口３４を介して流入する構成である。また、冷却水空間３３に流入した尿素水１３は、噴射弁３９を冷却した後に冷却水出口３５を介して、尿素水タンク１２へ戻る構成である。
【００５５】
また、ヒータホルダー６０ｂと冷却ホルダー３２の間には、空気ホルダー８３が配設されている。空気ホルダー８３内には、整圧室８４が配設されており、その内側には、空気通路８６が配設されている。また、空気通路８６の内側であり、噴射弁３９から噴射される噴霧４１ａ．４１ｂが通過可能な噴孔８５が穿かれている。また、空気ホルダー８３には、整圧室８４と連通する空気導入管８２が配設されている。空気導入管８２の他端には、電磁弁８０が配設されている。電磁弁８０は、圧縮空気が収められている空気タンク８７と連通しており、エンジン１の運転状態に応じて、コントロールユニット２からの制御信号により電磁弁８０開閉し、空気導入管８２を介して、空気ホルダー８３内である整圧室８４へ圧縮空気流れ８１を供給可能としている。
【００５６】
一方、噴射弁３９から噴射された尿素水噴霧は、空気ホルダー８３に穿たれた噴孔８５を介して、旋回室６５ｂ内に配設された旋回部材５９ｂ内側を通過して、通路６７ｂへ供給される構成である。
【００５７】
図６の（ａ）に図５中のＣ部拡大図を示す。また、図６の（ｂ）に図６の（ａ）中のＤ−Ｄ断面を示す。図６を用いて、噴霧４１ａ，４１ｂの形状可変手段につき説明する。第１の実施形態に記載のごとく、エンジン１の運転状態に応じてＮＯｘ排出量は変化している。すなわち、比較的低排気温時のＮＯｘ排出量は少なく、そのときに還元剤である尿素水１３は、尿素蒸気出口部７１において気化促進した状態で供給することにより高い脱硝率が得られる。また、比較的高排気温時のＮＯｘ排出量は多量であるものの、高排気温により還元剤である尿素水１３は、瞬時に気化促進するために、尿素蒸気出口部７１において、噴霧の状態で供給しても高い脱硝率が得られる。
【００５８】
よって、本発明の第２の実施形態において、比較的低排気温時には、電磁弁８０を閉じ、空気ホルダー８３内に空気タンク８７からの圧縮空気８１を供給せずに、噴射弁３９にて微粒化促進した噴霧４１ｂを空気ホルダー８３に穿かれた噴孔８５を介して直接通路６７ｂへ供給する。そのときの噴射弁３９から噴射された噴霧４１ｂの噴霧角（θｗ１）は、通路６７ｂの上流側の端部に衝突するような噴霧である。さらに、前述の旋回室６５ｂと旋回部材５９ｂにより、分流ガス９ａは、通路６７ｂ内にて旋回流れを形成しているために、噴霧４１ｂが旋回流れにのって、通路６７ｂ内にて旋回しながら通過する。この時、通路６７ｂの外周に配設されたヒータ６１ｂは通電され発熱している。よって、加熱された通路６７ｂを噴射弁３９から噴射された噴霧４１ｂは、旋回流れに乗って通過するためにヒータによる気化促進が図れ、尿素蒸気として、尿素蒸気出口部７１に供給できる。
【００５９】
つぎに、比較的高排気温度時には、噴霧４１ａは瞬時に排気熱により、気化促進可能であるために積極的にヒータ６１ｂのヒータ熱により気化促進させる必要は無く、通路６７ｂ内壁面に衝突させることなく供給するのが好ましい（尿素水噴霧が通路内壁面に衝突すると、壁面にヒータ熱が加わらないという温度条件のもとで尿素析出物が壁面に付着する虞があり、付着した析出物による通路径の変化によってＮＯｘ量に対する尿素水の供給コントロールが困難になるので）。よって、噴霧４１ａは狭角（θｎ１）噴霧が好ましく、そのために、電磁弁８０を開き空気タンク８７からの圧縮空気８１を空気導入管８２に供給したのち、空気ホルダー８３内の円筒状の空間である整圧室８４内に供給し、空気通路８６を経て、噴孔８５の全周方向から均一に圧縮空気８１ａを供給した後、噴孔８５から通路６７ｂへ供給させる。その際に、噴射弁３９から噴射された噴霧４１ｂと圧縮空気８１ａは、同一の噴孔８５を通過するために、噴霧４１ａの狭角化が図れる。
【００６０】
このようにして、エンジン１の排気が低排気温時には、尿素蒸気出口部７１部にて気化促進した尿素蒸気を供給可能であり、高排気温時は、狭角化した噴霧を供給可能である。
【００６１】
また、噴霧４１ａに圧縮空気を供給することにより、噴霧４１ａの微粒化促進も図れる。図７に噴霧の粒径化の結果を示す。図７中の噴霧Ｂは、圧縮空気を噴霧に供給しない場合の噴霧の粒径分布であり、本噴射弁では、ザウタ平均粒径にて６０μｍ程度である。それに対して、噴霧Ａは、圧縮空気を噴霧に供給した場合の粒径分布である。その噴霧Ａのザウタ平均粒径は１０μｍ程度と非常に噴霧の微粒化が促進されている。そして、噴霧４１ａが微粒化促進されて供給されるということは、噴霧液滴群と排気との接触面積が増大するために、排気から噴霧への熱伝達が促進でき、一層噴霧の気化促進が図れる。よって、大きい噴霧液滴群（噴霧Ｂ）と比べて、小さい液滴群（噴霧Ａ）は瞬時に気化促進が可能となる。
【００６２】
次に、図８を用いて、本発明の第２の実施形態に係る排気処理装置１２０ｂの動作を説明する。本発明の第１の実施形態記載と同様にディーゼルエンジン１において、エンジン１からの排気８の流量および温度は、運転状態に応じて変化する。その際に、排出されるＮＯｘ量も運転状態に応じて変化する。たとえば、一般的にエンジン１が低負荷運転の場合には、比較的排気流量も少なく排気温度も低く、ＮＯｘ排出量も少ない。また、エンジン１が高負荷運転の場合には、排気流量も多く排気温度も高く、ＮＯｘ排出量も多い。
【００６３】
以上のようなエンジン１の運転状態において、ＮＯｘの排出量に応じて還元剤である尿素水１３を煙道５に添加する手法において、本実施形態では、エンジン１からの排気温度が比較的低温である３００℃程度未満の場合、伝熱管６２ｂ外周部に配設されたヒータ６１ｂへの通電を行い（図３中４段目：ヒータＯＮ）、ヒータ６１ｂを発熱させ、伝熱管６２ｂ内の通路６７ｂ内壁面を加熱する。その際、エンジン１から排出されるＮＯｘ量に見合った、還元剤である尿素水噴霧４１ｂを噴射弁３９から通路６７内へ所定量噴射する。よって、通路６７内では、主にヒータ熱により尿素水噴霧４１ｂが尿素蒸気に気化促進される。よって、尿素蒸気出口部７１では、尿素水噴霧４１ｂは気化促進され、ほぼガス状態で通過する（図３中２段目：＜気化領域＞）。
【００６４】
そして、尿素蒸気出口部７１から煙道５へ供給される。その後、煙道５内に配設された混合促進材１１にて、排気１０と混合促進し、加水分解触媒６３ｂを通過した後、混合ガス２４として、脱硝触媒６へ供給される。このとき、尿素水噴霧４１ｂを含む混合ガス２４は、脱硝触媒６へ到達するまでには、気化促進された状態で供給される。
【００６５】
一方、排気温度が比較的高温である３００℃程度以上の場合には、伝熱管６２ｂ外周部に配設されたヒータ６１ｂへの通電はせず（図８中４段目：ヒータＯＦＦ）、ヒータ６１ｂによる伝熱管６２ｂ内の通路６７内壁面の加熱は行わない。エンジン１から排出されるＮＯｘ量に見合った還元剤である尿素水噴霧４１ａを噴射弁３９からヒータホルダ６０ｂ内の通路６７ｂへ所定量噴射する。ここで、噴射弁３９から噴射された噴霧４１ａの噴霧全周方向から圧縮空気８１ａを供給する（図３中３段目：エアアシストＯＮ）ことにより、噴霧４１ａの狭角化を図れるとともに微粒化促進（ザウタ平均粒径１０μｍ程度）が図れられる。ここで、通路６７ｂ内では、分流ガス９ａの排気熱により気化促進されながら混合ガス９ｅとして尿素蒸気出口部７１へ供給される。その際、混合ガス９ｅは完全に気化されず、尿素水噴霧の状態である（図８中２段目：＜噴霧領域＞）。
【００６６】
その後、煙道５内に配設された混合促進材１１にて、排気１０と混合促進し、加水分解触媒６３ｂにて加水分解が促進された後に混合ガス２４として脱硝触媒へ供給される。このとき尿素水噴霧のザウタ平均粒径は１０μｍ程度と非常に微粒化促進されているために、第１の実施形態のメイン噴射弁３０から供給する噴霧のザウタ平均粒径６０μｍに比べ、気化時間が大幅に短くなるために、第１の実施形態に比べて、装置の一層の小型化が可能である。また、尿素水噴霧４１ａを含む混合ガス２４は、脱硝触媒６へ到達するまでに、高温の排気１０の熱量によって、気化促進された状態で供給される。
【００６７】
「第３の実施形態」
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９と図１０を参照しながら以下説明する。図９は本発明の第３の実施形態に係る排気処理装置の詳細構成を示す図である。図１０は本発明の第３の実施形態に係る排気処理装置の動作を説明する図である。
【００６８】
図９の（ａ）は、本発明の第３の実施形態に係る排気処理装置１２０ｃの構成図であり、第２の実施形態の図５中のＣ部のみの構成が異なり、その詳細の構成を示している。図９の（ｂ）は、図９の（ａ）のＥ−Ｅ断面図である。図９の（ｃ）は、図９の（ａ）のＦ−Ｆ断面図である。
【００６９】
第３の実施形態における主な構成および排気ガス流れは第２の実施形態と同様のため説明を省略する。第２の実施形態との違いは、図５中のＣ部の構成の違いにある。特に、エンジン１の運転状態に応じて、排気流れとは別の圧縮空気流れを用いて、噴射弁３９から噴射される噴霧４２ａ，４２ｂの形状を変化させ、噴霧蒸気出口部７１から煙道５へ供給される還元剤である尿素水を尿素蒸気および噴霧にて供給可能としたことに特徴がある。ここで、尿素蒸気とは気体状態であり、噴霧とは液滴群である。
【００７０】
第３の実施形態において、分流ガス９ａはＤＰＦ４下流の煙道５上流側に開口された分流管入口７３を介して、分流管７２ｂ下流側に配設された旋回室６５ｃ内に配設された旋回部材５９ｃへ流入し、旋回部材５９ｃの流路構造により、ヒータホルダー６０ｃ内に配設された伝熱管６２ｃ内の通路６７ｃ内にて旋回流となって供給される。さらに、通路６７ｃの下流は、尿素蒸気出口部７１を介して煙道５に連通しているために、分流ガス９ａは、再び煙道５内へ供給される構成である。ここで、尿素蒸気出口部７１下流側の煙道５内には、混合促進材１１が配設されている。混合促進材１１の構成は、第１の実施形態と同様の構成であるため説明を省略する。混合促進材１１下流の煙道５内には、加水分解触媒６３ｂが配設されている。
【００７１】
また、ヒータホルダー６０ｃ内には、通路６７ｃをその内面で構成する伝熱管６２ｃが配設されている。伝熱管６２ｃの外周にはヒータ６１ｃが配設されている。さらにヒータ６１ｃの外周には、断熱効果を目的とした空間６４ｃが配設され、その外周部にヒータホルダー６０ｃが配設された構成である。また、尿素蒸気出口部７１形状は、第１の実施形態と同様の構成のため説明を省略する。
【００７２】
伝熱管６２ｃ内に配設された通路６７ｃへは、還元剤である尿素水噴霧４２ａ，４２ｂを噴射供給可能なごとく、旋回室６５ｃの上流側に配設された冷却ホルダー３２内に配設された噴射弁３９が配設されている。噴射弁３９の外周には冷却ホルダー３２内側に冷却水空間３３が形成されている。冷却水空間３３には、レギュレータ１６により調圧供給された尿素水１３が尿素水入口４０を介して尿素水噴射弁３９に供給される以外のレギュレータ１６からの戻り尿素水１３が、冷却水入口３４を介して流入する構成である。また、冷却水空間３３に流入した尿素水１３は、噴射弁３９を冷却した後に冷却水出口３５を介して、尿素水タンク１２へ戻る構成である。
【００７３】
また、ヒータホルダー６０ｃと冷却ホルダー３２の間には、空気ホルダー９４，９８が配設されている。空気ホルダー９４，９８内には、各々整圧室９５，９９が配設されており、その内側には、溝１０１と空気通路９６が配設されている。また、溝１０１と空気通路９６の内側であり、噴射弁３９から噴射される噴霧４２ａ，４２ｂが通過可能な噴孔９７，１０２が穿かれている。
【００７４】
また、空気ホルダー９４，９８には、整圧室と連通する空気導入管９０，９２が配設されている。空気導入管９０，９２の各々の他端には、図示しない電磁弁が各々配設されている。各々の電磁弁は、圧縮空気が収められている図示しない空気タンク８７と連通しており、エンジン１の運転状態に応じて、コントロールユニット２からの制御信号により各電磁弁を開閉し、空気導入管９０，９２を介して、空気ホルダー９４，９８内である整圧室９５，９９へ圧縮空気９１，９３を供給可能としている。
【００７５】
一方、噴射弁３９から噴射された尿素水噴霧は、空気ホルダー９４，９８に穿たれた噴孔９７，１０２を介して、旋回室６５ｃ内に配設された旋回部材５９ｃ内側を通過して、通路６７ｃへ供給される構成である。
【００７６】
ここで、噴霧４２ａ，４２ｂの形状可変手段につき説明する。第１の実施形態に記載のごとく、エンジン１の運転状態に応じてＮＯｘ排出量は変化している。すなわち、比較的低排気温時のＮＯｘ排出量は少なく、そのときに還元剤である尿素水１３は、尿素蒸気出口部７１において気化促進した状態で供給することにより高い脱硝率が得られる。また、比較的高排気温時のＮＯｘ排出量は多量であるものの、高排気温により還元剤である尿素水１３は、瞬時に気化促進するために、尿素蒸気出口部７１において、噴霧の状態で供給しても高い脱硝率が得られる。
【００７７】
よって、本発明の第３の実施形態において、比較的低排気温時（一例として、３００℃未満）には、図示しない空気導入管９０につながる電磁弁を開き、空気導入管９２につながる電磁弁を閉じることによって、空気ホルダー９８内に空気タンク８７からの圧縮空気９１を供給し、圧縮空気９３を供給しないことによって、噴射弁３９から噴射された噴霧４２ｂを空気ホルダー９４，９８に穿かれた噴孔９７，１０２を介して通路６７ｂへ供給する。その際、空気ホルダー９８内に配設された旋回部材１００（空気ホルダー９４と９８の間に介在する）には、噴射弁３９から噴射される噴霧が通路６７ｃに供給可能なごとく、噴孔９７，１０２と中心軸を同軸とする孔１０３が穿たれている。さらに、孔１０３の円周接線方向に沿って所定通路断面積を持った溝１０１が複数本形成されている。
【００７８】
これによって、噴霧４２ｂが噴孔９７を介して、旋回部材１００を通過した時に、噴霧の噴射方向垂直断面の噴霧外周接線方向から圧縮空気９３ａが供給されるために、噴霧の広角（θｗ２）化が実現できるとともに圧縮空気９３ａにより微粒化促進が図られながら、噴孔１０２を通過し、通路６７ｃへ噴射される。
【００７９】
噴射弁３９から噴射された噴霧４２ｂの噴霧角（θｗ２）は、通路６７ｃの上流側の端部に衝突するような噴霧である。さらに、前述の旋回室６５ｃと旋回部材５９ｃにより、分流ガス９ａは、通路６７ｃ内にて旋回流れを形成しているために、噴霧４２ｂが旋回流れにのって、通路６７ｃ内にて旋回しながら通過する。この時、通路６７ｃの外周に配設されたヒータ６１ｂは通電され発熱している。よって、加熱された通路６７ｃを噴射弁３９から噴射された噴霧４１ｂは、旋回流れに乗って通過するためにヒータによる気化促進が図れ、尿素蒸気として、尿素蒸気出口部７１に供給できる。
【００８０】
つぎに、比較的高排気温度時（一例として、３００℃以上）には、噴霧４２ａは瞬時に排気熱により、気化促進可能であるために積極的にヒータ６１ｂのヒータ熱により気化促進させる必要は無く、通路６７ｃ内壁面に衝突させることなく供給するのが好ましい。よって、噴霧４２ａは狭角（θｎ２）噴霧が好ましく、そのために、図示しない空気導入管９０につながる電磁弁を閉じ、空気導入管９２につながる電磁弁を開くことによって、空気ホルダー９４内に空気タンク８７からの圧縮空気９３を供給し、圧縮空気９１を供給しないことによって、噴射弁３９から噴射された噴霧４２ａを空気ホルダー９４，９８に穿かれた噴孔９７，１０２を介して通路６７ｂへ供給する。その際、空気ホルダー９８内に配設された旋回部材１００には、噴射弁３９から噴射される噴霧が通路６７ｃに供給可能なごとく、噴孔９７，１０２と中心軸を同軸とする孔１０３が穿たれている。
【００８１】
よって、圧縮空気９３を空気導入管９２に供給したのち、空気ホルダー９４内の円筒状の空間である整圧室９９内に供給し、空気通路１０１を経て、噴孔１０２の周方向から均一に圧縮空気９３ａを供給した後、噴孔９７、孔１０３、噴孔１０２を経て通路６７ｃへ供給させる。その際に、噴射弁３９から噴射された噴霧４２ｂと圧縮空気９１ａは、同一の噴孔９７を通過するために、噴霧４２ａの狭角化が図れる。
【００８２】
以上のように、エンジン１の低排気温時には、尿素蒸気出口部７１部にて気化促進した尿素蒸気を供給可能であり、高排気温時は、狭角化した噴霧を供給可能である。また、噴霧４２ａ，４２ｂに圧縮空気を供給することにより、噴霧４２ａ，４２ｂの微粒化促進も図られる。さらに、噴霧４２ａ，４２ｂが微粒化促進されて供給されるということは、噴霧液滴群と排気との接触面積が増大するために、排気およびヒータ６１ｃの熱から噴霧への熱伝達が促進でき、一層噴霧の気化促進が図れる。よって、大きい噴霧液滴群と比べて、小さい液滴群は瞬時に気化促進が可能となる。
【００８３】
次に、図１０を用いて、本発明の第３の実施形態に係る排気処理装置１２０ｃの動作を説明する。本発明の第１の実施形態記載と同様にディーゼルエンジン１において、エンジン１からの排気８の流量および温度は、運転状態に応じて変化する。その際に、排出されるＮＯｘ量も運転状態に応じて変化する。たとえば、一般的にエンジン１が低負荷運転の場合には、比較的排気流量も少なく排気温度も低く、ＮＯｘ排出量も少ない。また、エンジン１が高負荷運転の場合には、排気流量も多く排気温度も高く、ＮＯｘ排出量も多い。
【００８４】
以上のようなエンジン１の運転状態において、ＮＯｘの排出量に応じて還元剤である尿素水１３を煙道５に添加する手法において、第３の実施形態では、エンジン１からの排気温度が比較的低温である、例えば３００℃程度未満の場合、伝熱管６２ｂ外周部に配設されたヒータ６１ｂへの通電を行い（図１０中５段目：ヒータＯＮ）、ヒータ６１ｂを発熱させ、伝熱管６２ｃ内の通路６７ｃ内壁面を加熱する。その際、エンジン１から排出されるＮＯｘ量に見合った還元剤である尿素水噴霧４２ｂを噴射弁３９から通路６７ｃ内へ所定量噴射する。さらに、噴霧４２ｂの噴射方向垂直断面の接線方向から旋回するごとく圧縮空気９３ａを供給する（図３中３段目：旋回エアアシストＯＮ）。
【００８５】
これによって、尿素水噴霧４２ｂの広角化と微粒化促進が図れる。さらに、通路６７ｃ内では、主にヒータ熱により尿素水噴霧４２ｂが尿素蒸気に気化促進される。よって、尿素蒸気出口部７１では、尿素水噴霧４２ｂは気化促進され、ほぼガス状態で通過する（図１０中２段目：＜気化領域＞）。そして、尿素蒸気出口部７１から煙道５へ供給される。その後、煙道５内に配設された混合促進材１１にて、排気１０と混合促進し、加水分解触媒６３ｂを通過した後、混合ガス２４として、脱硝触媒６へ供給される。このとき、尿素水噴霧４２ｂを含む混合ガス２４は、脱硝触媒６へ到達するまでには、気化促進された状態で供給される。
【００８６】
一方、排気温度が比較的高温である３００℃程度以上の場合には、伝熱管６２ｂ外周部に配設されたヒータ６１ｃへの通電はせず（図１０中５段目：ヒータＯＦＦ）、ヒータ６１ｃによる伝熱管６２ｃ内の通路６７ｃ内壁面の加熱は行わない。エンジン１から排出されるＮＯｘ量に見合った還元剤である尿素水噴霧４２ａを噴射弁３９からヒータホルダー６０ｃ内の通路６７ｃへ所定量噴射する。ここで、噴射弁３９から噴射された噴霧４２ａの噴霧全周方向から圧縮空気９１ａを供給する（図１０中４段目：衝突エアアシストＯＮ）ことにより、噴霧４２ａの狭角化を図れるとともに微粒化促進（ザウタ平均粒径１０μｍ程度）が図れられる。ここで、通路６７ｃ内では、分流ガス９ａの排気熱により気化促進されながら混合ガス９ｅとして尿素蒸気出口部７１へ供給される。その際、混合ガス９ｅは完全に気化されず、尿素水噴霧の状態である（図１０中２段目：＜噴霧領域＞）。
【００８７】
その後、煙道５内に配設された混合促進材１１にて、排気１０と混合促進し、加水分解触媒６３ｂにて加水分解が促進された後に混合ガス２４として脱硝触媒へ供給される。このとき尿素水噴霧のザウタ平均粒径は１０μｍ程度と非常に微粒化促進されているために、第１の実施形態のメイン噴射弁３０から供給する噴霧のザウタ平均粒径６０μｍに比べ、気化時間が大幅に短くなるために、第１の実施形態に比べて、装置の一層の小型化が可能である、また、尿素水噴霧４１ａを含む混合ガス２４は、脱硝触媒６へ到達するまでに、高温の排気１０の熱量によって、気化促進された状態で供給される（図１０中１段目：＜噴霧領域＞）。
【００８８】
以上の説明においては、例示としての３００℃を境にしてそれ未満の低排気温時に尿素水噴霧を気化した尿素蒸気（加水分解触媒によるＮＨ３ガスはさらなる具体例）を生成して供給し、それ以上の高排気温度時には尿素水噴霧を供給することを開示したが、これ以外の供給態様として、脱硝触媒の性能にも関連するが、例えば、エンジン運転状態の排気ガス温度が２００℃〜３５０℃の範囲内においては、図２に示すサブ噴射ラインからの尿素蒸気とメイン噴射ラインからの尿素水噴霧との混合体を供給しても良い。この際、この混合体の混合割合は上述した温度範囲を排気温センサで検知しながら、例えば、３５０℃に近い温度であれば尿素水噴霧の割合を高くし、２００℃に近い温度であれば尿素蒸気の割合を高くするというように変化させる。また、以上の説明では、エンジン排気ガスの分流ガス中に尿素水を噴霧することを開示したが、排気ガスに代えて適宜の搬送ガスを用いてこの搬送ガスと尿素蒸気及び／又は尿素水噴霧とを混合して煙道５（混合促進材１１、脱硝触媒６の前流側）に供給しても良い。
【００８９】
以上説明したように、本発明の実施形態に係る排気処理装置の主たる特徴は、次のような概念と機能乃至作用を奏するものである。すなわち、尿素水の微粒化を図るとともに、尿素水の搬送気体としてエンジンの排気ガスを利用する。また、エンジンの運転状態に応じて尿素水を煙道内へ気体もしくは噴霧のどちらか一方、または気体および噴霧を所定の割合にて供給可能とする。ここで、噴射弁から噴射された尿素水が尿素蒸気とアンモニアガスとなって、脱硝触媒へ到達する場合、尿素水噴霧として脱硝触媒へ到達する場合に比べ、エンジンから排出される窒素酸化物の脱硝性能に差異が出ることが知られている。また、低負荷領域である低排気温（たとえば排気温度３００℃未満）時は、高負荷領域である高排気温（たとえば排気温度３００℃以上）時に比べて排気熱による尿素水の気化促進がされにくく、高排気温時に比べて低排気温時は脱硝性能が明らかに劣る。高い脱硝性能を得るには、尿素水を尿素蒸気およびアンモニアガスとして脱硝触媒へ供給することが好ましいと云える。
【００９０】
そこで、本実施形態では、始動時など排気量、排気温度が低い運転領域においては、主にヒータ熱により尿素水を気化する。このとき、発生するＮＯｘは少量であるため、処理すべき尿素水量は少なく、ヒータは必要最低限の消費電力量で気化することが可能となる。また、エンジンの排気温度が高く、大量のＮＯｘを発生するときには、尿素水の気化のためにヒータ熱を利用せず、排気中に直接尿素水を噴射し、排気の持つ排気熱にて気化促進を図る。
【００９１】
さらに、排気ガスの熱を有効に活用するために、気化器内およびその下流に噴射されたに尿素水噴霧の搬送流体として排気ガスおよび排気ガスの一部である分流ガスを活用する。また、気化器の蒸発面を所定温度以上で、蒸発面に所定の温度分布を形成できるごとくヒータを複数個配設して、それぞれのヒータを制御する。
【００９２】
したがって、本実施形態によると、低排気温度時には、煙道へ噴射弁から噴射した微粒化した噴霧を気化器にて積極的に気化促進させ尿素蒸気を供給する。また、高排気温度時の場合は、煙道へ噴射弁から噴射された微粒化した噴霧を供給し、そのとき、煙道内の排気温度は高温であるために微粒化された尿素水噴霧は瞬時に気化促進され、短時間で煙道内で尿素蒸気となる。このため、低負荷領域（低排気温度）から高負荷領域（高排気温度）まで、脱硝触媒へ尿素蒸気を供給可能なため、エンジンの全運転領域において、尿素水噴霧を脱硝触媒へ供給する場合に比べ、高い脱硝性能が得られる。
【００９３】
また、噴射弁の下流側の気化器内またはその下流側通路や煙道内に尿素加水分解を促進するための加水分解触媒を配設することによって、尿素蒸気が加水分解触媒との接触により効率よくアンモニアガスが生成され、アンモニアガスを脱硝触媒へ供給可能である。よって、脱硝触媒を尿素蒸気で供給する場合に比べ、さらに高い脱硝性能を得ることが可能となる。
【００９４】
結局、本発明によると、低消費電力であり、かつコンパクトな装置でありながら、排気ガス温度の低温域から高温域までの全てを高い脱硝率でＮＯｘを除去することが可能である。よって、自動車産業をはじめとするディーゼルエンジンを開発、使用する産業への利用の可能性は非常に高いと云える。
【図面の簡単な説明】
【００９５】
【図１】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。
【図２】図１に示す排気処理装置のＡ部の拡大図である。
【図３】本発明の第１の実施形態に係る排気処理装置の動作を説明する図である。
【図４】本発明の実施形態に係る排気処理装置における、脱硝触媒入口温度と脱硝率との関係を示す図である。
【図５】本発明の第２の実施形態に係る排気処理装置の詳細構成を示す図である。
【図６】図５に示す排気処理装置のＣ部の拡大図である。
【図７】第２の実施形態に係る排気処理装置において用いる尿素水噴霧の噴霧粒径分布を示す図である。
【図８】本発明の第２の実施形態に係る排気処理装置の動作を説明する図である。
【図９】本発明の第３の実施形態に係る排気処理装置の詳細構成を示す図である。
【図１０】本発明の第３の実施形態に係る排気処理装置の動作を説明する図である。
【符号の説明】
【００９６】
１…ディーゼルエンジン、２…コントロールユニット、３…煙道、４…ＤＰＦ、５…煙道、６…脱硝触媒、７…煙道、８…排気、９ａ…分流ガス、９ｄ…混合ガス、１０…排気、１１…混合促進材、１２…タンク、１３…尿素水、１４…ポンプ、１５…フィルタ、１６…レギュレータ、１９…排気温度センサ、２０…ＮＯｘセンサ、２１…ＮＨ３センサ、３０…メイン噴射弁、３８…尿素水噴霧、５０…サブ噴射弁、５８…尿素水噴霧、５９ａ…旋回部材、６０ａ…ヒータホルダー、６１ａ…ヒータ、６２ａ…伝熱管、６３ａ…加水分解触媒、７０…分流管、７１…尿素蒸気出口部、８１…圧縮空気流れ、８１ａ…圧縮空気流れ、１００…旋回部材、１０１…溝、１０２…噴孔、１２０…尿素添加装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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