(57)【要約】【課題】還元剤となる尿素を煙道内に析出させることなく、速やかに脱硝触媒へ供給すること。【解決手段】排気処理装置は、排気が通流する煙道５２に設けられて排気中の窒素酸化物を還元処理する脱硝触媒反応器１９と、この脱硝触媒反応器の上流の煙道内に尿素水を噴射する噴射弁７６を備え、この噴射弁から噴射された尿素水の噴霧を包囲する蒸発筒１００を煙道の壁面から煙道内に延在させて配置するようにする。この構成によれば、噴射弁７６から噴射された尿素水の噴霧に伴い、尿素水による液流が生じても、その液流は蒸発筒１００の内壁に流入し、効率的に気化されるため、煙道内における尿素析出を抑制することができる。【選択図】図４
2008014213.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気が通流する煙道に設けられて前記排気中の窒素酸化物を還元処理する脱硝触媒反応器と、前記脱硝触媒反応器の上流の煙道内に尿素水を噴射する噴射弁とを備える排気処理装置において、
前記噴射弁から噴射された前記尿素水の噴霧を包囲する蒸発筒を前記煙道の壁面から前記煙道内に延在させて配置することを特徴とする排気処理装置。
【請求項２】
前記噴射弁の噴孔は、前記煙道の内壁面よりも外側に配置され、該噴孔と前記煙道の内部を連通する流路が形成され、該流路は、前記蒸発筒の内側に形成される空間と連通することを特徴とする請求項１に記載の排気処理装置。
【請求項３】
前記蒸発筒は、前記尿素水の噴射方向の断面積が連続的又は段階的に大きくなるように形成されることを特徴とする請求項１又は２に記載の排気処理装置。
【請求項４】
前記流路は、前記尿素水の噴射方向の断面積が連続的又は段階的に大きくなるように形成されることを特徴とする請求項２に記載の排気処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、排気処理装置に係り、特に、エンジンから排出される排気が通流する煙道内に噴霧された還元剤（尿素水）の析出を抑制する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
ディーゼルエンジン等の排気に含まれる窒素酸化物（以下、ＮＯｘという。）を除去する方法として、排気が通流する煙道内に、ＮＯｘを選択的に還元剤と反応させる選択還元触媒を配置し、この上流側の排気中に還元剤（例えば、炭化水素、アンモニア又はその前駆体）を添加し、還元剤を選択還元触媒上でＮＯｘと還元反応させて、ＮＯｘの排出濃度を低減させる技術が知られている。
【０００３】
この選択還元型触媒を用いるＮＯｘ低減手法をＳＣＲ（Selective Catalytic Reduction）と呼び、還元剤として尿素を用いるものは、尿素ＳＣＲと呼ぶ。
【０００４】
この尿素ＳＣＲを車両に適用する例として、噴射ノズルから煙道内へ尿素水を噴射するとともに、排気熱を利用して尿素を加水分解し、生成されたアンモニアを用いて、ＮＯｘを低減する技術が知られている（例えば、非特許文献１参照）。この場合、例えば、尿素水をタンク内に貯蔵しておき、タンクから供給される尿素水と車両側から供給される圧縮空気とを混合室内で混合し、これを煙道内の噴射ノズルから排気中に噴射する。ここで、尿素水量は、電磁弁の駆動パルス幅を制御して調整し、圧縮空気量は電子制御により調圧する。
【０００５】
また、ＮＯｘ還元触媒とその上流側の噴射ノズルとの間の煙道の内壁、噴射ノズルの内壁、及び排気を拡散させる拡散板のうち、少なくとも１つに尿素水の加水分解を促進させる加水分解触媒を塗布することにより、尿素水を効率的に加水分解してアンモニアを生成させ、脱硝効率を向上させる技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００６】
ところで、このようなＳＣＲ装置では、エンジンから発生するＮＯｘの発生量に見合った所定量の尿素水を速やかに加水分解してアンモニアを生成させ、これを排気中で均一に分散させて脱硝触媒上へ供給することが求められる。すなわち、ＮＯｘ発生量に見合った所定量の尿素水（アンモニア含む）を脱硝触媒上へ供給するには、噴射された尿素水を途中の経路で析出させることなく、すべての尿素水を速やかに供給する必要がある。
【０００７】
例えば、特許文献１において、圧縮空気と混合された尿素水は、煙道内に延在させて設けられた配管の先端の噴射ノズルから噴射される。このため、煙道内を流れる排気が低温（エンジン始動時）のときは、配管内を通過する尿素水が冷却されるため、例えば、噴射ノズル内で尿素が析出するおそれがある。また、煙道の外壁部は外気に曝されて冷やされるため、煙道内へ噴射された尿素水が煙道の内壁面に付着することにより、煙道の内壁面に尿素が析出するおそれがある。
【０００８】
このように、噴射ノズル内に尿素が析出すると、最悪の場合、噴射ノズルが目詰まりを起こし、煙道内への尿素供給が困難となる。また、煙道の内壁面に尿素が析出すると、煙道の流路圧損が大きくなり、エンジンの燃費の低下を招く。また、脱硝触媒に到達する前に尿素が析出すると、エンジンから発生するＮＯｘの発生量に見合った所定量の尿素水の供給量に対し、脱硝触媒への到達量（尿素蒸気およびアンモニアガス）が減少するため、脱硝効率が低下する。
【０００９】
また、特許文献１においては、噴射ノズルとＮＯｘ還元触媒との間の排気管の内壁、噴射ノズルの内壁などに加水分解触媒を塗布している点で、尿素析出の抑制に一定の効果がある。しかし、煙道内に配置された配管の先端の噴射ノズルと、煙道外に配置された尿素水を供給するための還元剤供給装置は、配管で接続されており、還元剤供給装置から供給された尿素水が噴射ノズルを通じて煙道内へ供給されるまで、一定の時間の遅れが生じる。さらに、この配管経路は、温度分布が生じることにより、配管内の一部で尿素析出が生じるおそれがある。
【００１０】
そこで、このような問題を解決する方法として、例えば、煙道の内壁面よりも外側に所定距離後退させた空間を形成し、その空間内に配置された噴射ノズルから煙道内へ尿素水を噴射させる方法が検討されている。
【００１１】
これによれば、例えば、特許文献１のように、尿素水の供給配管を煙道内に延在させて配置する必要がなく、しかも噴射ノズルが高温の排気に直接曝されず、配管や噴射ノズル内での尿素水の沸騰を抑えることができるため、噴射ノズルを含む尿素水の供給経路において尿素の析出を抑制することができる。
【００１２】
【非特許文献１】自動車技術Ｖｏｌ．５７、Ｎｏ．９（２００３）ｐｐ．９４〜９９
【特許文献１】特開２００５−１０５９７０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
ところで、煙道の内壁面よりも外側に後退させて形成される空間内に噴射ノズルを配置し、尿素水を噴射させた場合、噴霧の外周部分と空間を形成する面との間に気流が生じることがある。この気流は、噴霧に誘引されて、噴霧中の微細液滴の一部を巻き込むように流れるため、微細液滴は気流に同伴されて周囲の壁面に付着する。そして、壁面に付着した液滴は、徐々に蓄積されて液滴同士が結合し、最終的には、尿素水の液流となって壁面を伝って煙道内へ液垂れする。
【００１４】
すなわち、煙道の内壁面上に流れ出した液流は、例えば、煙道内の温度条件などによっては、尿素の析出を生じるおそれがある。
【００１５】
本発明は、還元剤となる尿素を煙道内に析出させることなく、速やかに脱硝触媒へ供給することができる排気処理装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明は、上記課題を解決するため、排気が通流する煙道に設けられて排気中の窒素酸化物を還元処理する脱硝触媒反応器と、脱硝触媒反応器の上流の煙道内に尿素水を噴射する噴射弁とを備える排気処理装置において、噴射弁から噴射された尿素水の噴霧を包囲する蒸発筒を煙道の壁面から煙道内に延在させて配置することを特徴とする。
【００１７】
この構成によれば、煙道内に配置された蒸発筒は、常に煙道内を流れる排気流の中に曝されるため、排気から熱を受け取って高温に加熱された状態となる。このため、例えば、尿素水の噴霧に伴って液流が生じた場合、その液流は、蒸発筒の内壁面に沿って蒸発筒内に流れ込み、その過程で気化が促進される。そして、例えば、蒸発筒の内壁面において、細かい液滴となった尿素水、或いは気化された尿素は、排気の流れに同伴されて下流側の脱硝触媒反応器へ搬送される。
【００１８】
このように、本発明によれば、排気の熱を利用して高温に保持された蒸発筒内に尿素水の液流を導き、例えば、膜沸騰により液流を気化させてから、排気の流れに乗せることができるため、尿素水を蒸発筒内や煙道内に析出させることなく、速やかに脱硝触媒へ供給することができる。
【００１９】
具体的に、本発明では、噴射弁の噴孔を煙道の内壁面よりも外側に配置し、噴孔と煙道の内部を連通する流路を形成し、この流路は、蒸発筒の内側に形成される空間と連通するものとする。すなわち、噴孔から噴射された尿素水は、流路と蒸発筒内を順次通過して煙道内へ導入される。
【００２０】
この場合において、蒸発筒は、例えば、尿素水の噴射方向の断面積が連続的又は段階的に大きくなるように形成する。これによれば、例えば、蒸発筒の内壁面に液流を導き、析出させることなく、液流を移動させながら、速やかに気化させて排気の流れに同伴させることができる。また、噴霧中の微細な液滴を凝集させることなく、排気中へ均一に分散させることができるため、尿素水の加水分解の効率を向上させることができる。
【００２１】
また、流路は、尿素水の噴射方向の断面積が連続的又は段階的に大きくなるように形成する。これによれば、尿素水の噴霧の外周と流路の壁面との間の空間を小さくできるため、噴霧による気流の巻き込みを抑制し、液流を発生しにくくすることができる。なお、このように、流路の噴射方向で断面積を大きくすることに併せて、蒸発筒も同様に形成することにより、気流の巻き込みを効果的に抑制することができる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、還元剤となる尿素を煙道内に析出させることなく、速やかに脱硝触媒へ供給することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、本発明の第１の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は、本発明を適用してなる排気処理装置の尿素供給装置とその内部を通過する排気の流れを説明する図である。図２は、尿素供給装置において煙道内に尿素水を噴射する噴射弁とその供給経路及び冷却手段の構成図である。図３（ａ），（ｂ）及び（ｃ）は、それぞれ尿素供給装置の外観斜視図、正面図及び側面図を示す。図４（ａ），（ｂ）は、それぞれ図３のＢ−Ｂ断面図、図４（ａ）のＤ部拡大図を示す。図５（ａ），（ｂ）は、それぞれ図３のＣ−Ｃ断面図、図５（ａ）のＥ部拡大図を示す。図６（ａ）は、従来例の噴射弁の噴孔部周りの構造を示し、（ｂ）及び（ｃ）は、本発明を適用した噴射弁の噴孔部周りの構造を示す図である。
【００２４】
本実施形態の排気処理装置は、例えば、図示しないディーゼルエンジンから排出された排気が流れる煙道内に還元剤となる尿素水を供給するための尿素供給装置５０と、その上流側に設置され、黒煙粒子等の微粒子を除去するための微粒子除去装置（ＤＰＦ：Diesel Particulate Filter）１３と、尿素供給装置５０の下流側に設置され、排気中のＮＯｘを処理するための脱硝触媒（ＳＣＲ：Selective Catalytic Reduction：選択還元型ＮＯｘ触媒）１９を備えて構成される。
【００２５】
脱硝触媒１９は、尿素水及びその蒸気や加水分解反応により生成されたアンモニアによる排気１４中のＮＯｘの還元反応を促進させ、ＮＯｘの排出量を低減する機能を備えた触媒である。なお、脱硝触媒１９の下流側には、図示しない煙道及びマフラー等が配設され、外気へと連通している。
【００２６】
尿素供給装置５０には、その内部に形成された煙道５２に尿素水４を供給するメイン噴射弁７６，サブ噴射弁７７が２つ配設されている。メイン噴射弁７６は、煙道５２内に尿素水４を噴射する際に用いられ、サブ噴射弁７７は、後述する分流させた排気６４が通過する伝熱管６９内へ尿素水４を噴射する際に用いられる。
【００２７】
煙道５２の外壁には、筒状のテーパー部材１２４の端面が接して設けられる。このテーパー部材１２４の内周面の内側には、メイン噴射弁７６から噴射される噴霧５３が通過するとともに、噴霧５３が直接衝突しない形状であり、噴霧５３の噴射方向の断面積が連続的に拡大するテーパー状の側面を有する流路１２５が形成されている。
【００２８】
また、煙道５２の壁面には、円錐台形空間を形成する蒸発筒１００が煙道５２内に向かって延在するように接続されており、この蒸発筒１００を介して、流路１２５と煙道５２内は連通されている。
【００２９】
煙道５２と接するテーパー部材１２４の端面と相対する他端面側には、ホルダー内筒９０とホルダー外筒９１で構成されるメインホルダー７８が配設されている。メインホルダー７８には、メイン噴射弁７６の外周部と対向する領域に多段の環状空間となる冷却室１０１が形成されている。ホルダー外筒９１には、後述する尿素水８４が冷却室１０１内を通過するための流入出開口部である冷却水入口８０と冷却水出口８２が形成されている。なお、冷却水入口８０は煙道５２に近い側に配設され、冷却水出口８２は煙道５２から離れた側に配設され、各々の開口部中心点が異なった位置に配設されている。
【００３０】
メインホルダー７８とテーパー部材１２４が対向する端面間には、断熱材１０５が配設されるとともに、断熱空間１０７が形成されている。メインホルダー７８のホルダー内筒９０の内周側にはメイン噴射弁７６が配設されている。
【００３１】
メイン噴射弁７６から噴射される噴霧５３の噴射方向の煙道５２内には、噴霧５３が衝突可能となる位置に、複数枚の衝突板１６が配設されている。メイン噴射弁７６に近い側の１段目と２段目の衝突板１６は、複数の穴３６が穿たれた多孔板（パンチングプレート）で構成されている。また、メイン噴射弁７６から最も離れた位置に配設された３段目の衝突板１６は、複数の穴が穿かれていない板で構成されている。それぞれの衝突板１６は、排気１４の流れ軸流方向に対して、各々が所定角度にて取り付けられている。
【００３２】
また、尿素供給装置５０の煙道５２内には、衝突板１６の配設位置より排気１４の下流側において通路断面積が一旦縮小された煙道の絞り７１が形成されている。絞り７１には、排気１４の流れに旋回流を生じさせるための旋回翼６７が配設されている。また、絞り７１とその上流側の煙道５２には、バイパスされた通路が形成されている。この通路は、絞り７１の上流側にて煙道５２内を流れる排気１４の流れの軸流方向と対向するように分流管入口５５が開口して設けられている。
【００３３】
分流管入口５５は、分流管５６を介して、その下流側に配設された旋回室７０と連通している。なお、分流管５６は、旋回室７０の外壁部に対し偏心して配設されている。旋回室７０の下流側には、伝熱管６９が配設され、伝熱管６９の内部の下流側には、加水分解触媒６０が配設されている。伝熱管６９の外周部には、発熱体５７が配設され、発熱体を加熱することにより伝熱管６９内を流れる噴霧５４を気化促進するようになっている。
【００３４】
加水分解触媒の出口部１２６は、絞り７１の外壁を取り囲んで設けられる壁６２の内部に形成される環状空間の一部となる分散室６１と連通している。分散室６１は、絞り７１に穿かれた噴孔６８によって、絞り７１の内部と連通している。つまり、絞り７１の上流側の煙道５２内は、分流管入口５５を介して噴孔６８と連通するようになっている。ここで、絞り７１に穿かれた噴孔６８は、旋回翼６７の下流側に配設されている。
【００３５】
また、サブ噴射弁７７を内蔵したサブホルダー７９は、断熱材１０６と断熱空間１０８を介して旋回室７０の外壁に配設され、サブ噴射弁７７から噴射される噴霧５４が旋回室７０を介して伝熱管６９内に噴射されるようになっている。ここで、メイン噴射弁７６が配設されたメインホルダー７８と同様、サブ噴射弁７７が配設されたサブホルダー７９は、ホルダー内筒９２とホルダー外筒９３で構成され、サブホルダー７９には、サブ噴射弁７７を取り囲むように多段の環状空間である冷却室１０２が形成されている。ホルダー外筒９３には、後述する尿素水８５が冷却室１０２内を通過するための流入出開口部である冷却水入口８１と冷却水出口８３が形成されている。
【００３６】
なお、冷却水入口８１は旋回室７０に近い側に配設され、冷却水出口８３は旋回室７０から離れた側に配設され、それぞれ開口部中心点が異なる位置に配設されている。サブホルダー７９と旋回室７０が対向する端面間には、断熱材１０６が配設されるとともに、断熱空間１０８が形成されている。サブホルダー７９のホルダー内筒９２の内周部にはサブ噴射弁７７が配設されている。
【００３７】
次に、図２を用いて、本実施形態のメイン噴射弁７６、サブ噴射弁７７及びメインホルダー７８、サブホルダー７９への尿素水の供給経路と各噴射弁の冷却手段について説明する。
【００３８】
先ず、尿素水４の供給経路について説明する。尿素水タンク３に予め貯蔵された尿素水４は、フィルター５を介してポンプ６により吸引されたのち、ポンプ６から吐出された尿素水４が配管９７内へ供給される。配管９７は、配管９８，９９に分岐され、各噴射弁入口８８，８９を介してメイン噴射弁７６，サブ噴射弁７７へ連通している。これにより、尿素水４は、所定圧力により尿素水１０９，１１０としてメイン噴射弁７６，サブ噴射弁７７へそれぞれ供給される。
【００３９】
ここで、メイン噴射弁７６，サブ噴射弁７７への調圧は、配管９７から分岐した配管９４に配設した圧力調整弁７の開閉動作により行われる。圧力調整弁７の開閉動作により、圧力調整弁７を通過した尿素水８４は、配管９４内を通過後、メインホルダー７８の冷却水入口８０を介して冷却室１０１内に供給される。
【００４０】
冷却室１０１内に供給された尿素水８４は、冷却水出口８２を尿素水８５として配管９５へ流入したのち、サブホルダー７９の冷却水入口８１を介して冷却室１０２内に供給される。冷却室１０２内に供給された尿素水８５は、冷却水出口８３を尿素水８７として配管９６へ流入し、尿素水タンク３に還流する構成である。なお、圧力調整弁７を通過した冷却水の循環経路は、メインホルダー７８を経由してサブホルダー７９の各々の冷却室１０１，１０２を通過するが、その逆でも良い。
【００４１】
本実施形態においては、エンジンの始動時などの低排気温度、少排気量の低負荷領域から、高排気温度、多排気量の高負荷領域までの比較的広い運転領域において、還元剤である尿素水を析出させることなく、速やかに所定量、脱硝触媒１９へ供給可能とするため、尿素供給装置５０から煙道５２内へ供給する尿素水の供給形態を変更することを可能としている。
【００４２】
すなわち、高排気温度時には、メイン噴射弁７６からの尿素水の噴霧５３の供給を主として、噴霧５３を複数枚の衝突板１６に衝突させて煙道５２内での分散促進を図るとともに、高温の排気１４中に配設された衝突板１６への衝突と排気１４の熱により気化促進を図ったのち、脱硝触媒１９へ供給し高い脱硝性能を得る。
【００４３】
一方、低排気温度時には、サブ噴射弁７７からの尿素水の噴霧５４の供給を主として、噴霧５４を伝熱管６９の外周部に配設された発熱体５７の熱により、積極的に気化させるとともに、加水分解触媒６０を通過させることにより尿素水の噴霧５４のアンモニアガス化を促進させ、続いて、排気６５との混合促進を図ったのち、脱硝触媒１９へ供給することにより高い脱硝性能を得る。
【００４４】
このように、本実施形態では、エンジンの運転状態に応じて、尿素供給装置５０から煙道５２内へ供給する尿素水の供給形態を変更することによって、エンジンの全運転領域において、高い脱硝性能を確保するものである。
【００４５】
次に、高排気温度時に主として用いるメイン噴射弁７６から供給される尿素水の噴霧５３の脱硝触媒１９への供給について説明する。
【００４６】
本実施形態の排気処理装置において、ＤＰＦ１３を通過した排気１４は、尿素供給装置５０の煙道５２内へ供給される。ここで、煙道５２内に配設された複数枚の衝突板１６は、メイン噴射弁７６から噴射されるＮＯｘの還元剤である尿素水の噴霧５３を煙道５２内で析出させることなく、効率よく脱硝触媒１９へ分散供給させるためのものである。
【００４７】
すなわち、高排気温度である排気１４中に配設されている複数枚の衝突板１６は、排気１４から熱を受け取り、排気１４の温度と同温度になる。ここで、メインホルダー７８に内蔵されたメイン噴射弁７６から、排気１４中に含まれるＮＯｘ量に見合った尿素水１０９を噴霧５３として、複数の衝突板１６に向けて噴射する。このとき、高温の衝突板１６に衝突した噴霧５３中の液滴は、衝突板１６上で、膜沸騰の形態をとり蒸発が促進される。よって、噴霧５３中の液滴と衝突板１６との間には空気層が介在し、衝突板１６に噴霧５３が付着しないため、液流が生じることなく、尿素の析出を防止できる。
【００４８】
また、複数の衝突板１６に向けて噴射された噴霧５３は、衝突板１６に衝突することによって煙道５２内での分散促進が図られる。すなわち、１段目の複数の穴３６が穿かれた衝突板１６の開口率に応じて噴霧５３の液滴群が衝突し、気化促進されながら、煙道５２の下流方向に向けて反射するとともに、１段目の衝突板１６に衝突せずに、そこに穿かれた穴３６を通過した噴霧５３中の液滴群は、２段目の衝突板１６に衝突し、気化促進されながら、煙道５２の下流方向に向けて反射する。さらに、２段目の衝突板１６に衝突せずに、そこに穿かれた穴３６を通過した残りの噴霧５３中の液滴群は、３段目の穴３６が穿かれていない板状の衝突板に衝突し、気化促進が図られる。このように各衝突板１６で噴霧５３の液滴を気化させるとともに反射させる役割を分担させている。また、衝突板１６の煙道５２内への配設により、煙道５２の内壁面への噴霧５３の液滴の衝突が抑制でき、煙道５２内壁面での尿素析出を防止している。
【００４９】
また、各衝突板１６の間には、排気１４が脱硝触媒１９へ向かって流れており、衝突板１６で反射された液滴が排気１４の気流に乗り、脱硝触媒１９へと効率よく搬送される。このとき、煙道５２内に噴射された尿素水の噴霧５３は、衝突板１６への衝突と排気熱からの熱の授受により、噴霧５３の液滴の蒸発とともに加水分解が促進されてアンモニアガスの生成が促進される。
【００５０】
さらに、衝突板１６の下流側の煙道５２は、通路断面積が絞られた絞り７１に連通しており、絞り７１には、旋回翼６７が配設されている。衝突板１６で分散された噴霧５３は、排気１４の気流に同伴して絞り７１部を通過することによって流速が増加するとともに、旋回翼６７を通過することによる絞り７１での流れの乱れによって、排気１４と噴霧５３の混合促進が図られる。
【００５１】
以上の衝突板１６と絞り７１及び旋回翼６７の効果によって、メイン噴射弁７６から噴射された噴霧５３は、高温排気１４と排気中に含まれる水分によって、加水分解反応が促進されアンモニアガス化が促進され、脱硝触媒１９へほぼ均一に尿素水の噴霧、蒸気及びアンモニアを供給可能とし、高い脱硝性能を得ることができる。
【００５２】
なお、本実施形態では、衝突板１６を３段で構成しているが、それに限定するものではない。例えば、衝突板１６を３段以上で構成しても良い。さらに、衝突板１６に穿かれた穴３６の開口率を段数ごとに変更して、衝突板１６に衝突して反射される噴霧５３割合を調整しても良い。また、複数段で構成される衝突板１６の最下段を穴３６の穿かれていない板を配設したが、これを多孔板である衝突板１６としても良い。
【００５３】
これらを適正な構成とすることによって、脱硝触媒１９への還元剤の分散度合いを調整することができ、脱硝触媒１９を効率よく活用できる。
【００５４】
次に、サブ噴射弁７７から噴射される尿素水の噴霧５４が脱硝触媒１９へ到達するまでの流れについて説明する。
【００５５】
分流管入口５５から流入した分流排気６４は、分流管５６を介して旋回室７０に流入し、旋回流れを形成しながら伝熱管６９内へ流入する。一方、旋回室７０内を介して伝熱管６９に向けて、サブ噴射弁７７から尿素水の噴霧５４が噴射される。ここで、分流排気６４が旋回流れを形成して伝熱管６９へ流入するため、流れが直角に曲がり管内を通過する場合に比べて通路圧損を低減でき、効率よく分流排気６４を伝熱管６９内へ流入させることが可能となる。さらに、伝熱管６９内に噴射された噴霧５４を旋回流れによって伝熱管６９内壁へ強制的に接触させることができるため、噴霧５４中の液滴が伝熱管６９の内壁面へ接触させる時間を拡大することができ、効率よく噴霧５４を気化可能とすることができる。
【００５６】
伝熱管６９内で気化促進された尿素の蒸気５８は、分流排気６４の熱と、発熱体５７から伝熱管６９内へ供給される熱により加水分解が促進される。さらに、加水分解触媒６０を通過することにより、加水分解反応が一層促進され尿素水のアンモニアガス化を図ることができる。噴霧５４のアンモニアガス化を促進した混合ガス５９は、分散室６１内に供給され、複数の噴孔６８から主流排気６５に誘引されて絞り７１内へ供給される。これは、主流排気６５の通過する絞り７１により、伝熱管６９の圧力損失が高くなる分、絞り７１側の静圧が下がり、伝熱管６９の分流排気６４の流量が確保されるためである。
【００５７】
絞り７１内を通過することによって、排気１４の流速と比べて主流排気６５は、流速が早くなる。また、配設された旋回翼６７を通過することで、旋回翼６７の下流の主流排気６５の流れは、局所的に乱れ、旋回流を形成して混合ガス５９と混合促進が図られる。そして、主流排気６５とアンモニアガスを含んだ混合ガス５９が混合促進された排気６６を脱硝触媒１９に通過させることによって、高い脱硝性能を得ることができる。
【００５８】
エンジンからの排気１４は、エンジン負荷によって温度が変化し、排気１４の温度が高い時は、尿素水を直接噴射しても、排気１４から得られる熱によって尿素水の気化と加水分解反応が速やかに進み、還元剤となるアンモニアガスが脱硝触媒１９に必要量供給されるが、排気１４の温度が低い時は、尿素水のアンモニアガス化が進まず、脱硝触媒１９での還元反応も十分には進まなくなる。このため、一般に排気１４の温度が低い時はＮＯｘ低減率が悪化する。
【００５９】
この対策として、伝熱管６９を用い、発熱体５７による加熱と加水分解触媒６０による反応促進の２つの機能により尿素水のアンモニア化を促進し、低温時のＮＯｘ除去を補助する。また、排気１４の温度が高い時は分流管５６に配設されたサブ噴射弁７７からの尿素水の噴霧５４の噴射を行わず、排気１４中に直接、尿素水噴霧５３を噴射するメイン噴射弁７６のみを用いて尿素水を添加することで、発熱体５７が余計なエネルギー消費を行うことをなくする。さらに、低温時の加熱による反応補助に関しても、排気１４全体を加熱するのではなく、分流排気６４のみを加熱することで、発熱体５７で消費するエネルギーの低減を図っている。
【００６０】
次に、煙道５２の外壁部に配設されたテーパー部材１２４と旋回室７０に配設されたメインホルダー７８，サブホルダー７９のメイン噴射弁７６，サブ噴射弁７７の断熱、冷却手段について説明する。なお、基本的な冷却手段は、メインホルダー７８，サブホルダー７９とも同じであるため、ここでは、メイン噴射弁を内蔵するメインホルダー７８について説明し、サブホルダー７９に関する説明は省略する。
【００６１】
尿素水１０９をメイン噴射弁７６から尿素供給装置５０の煙道５２内へ噴霧５３として直接噴射することは、煙道５２内へ還元剤を速やかに供給する上で非常に有効である。しかし、煙道５２内には高温の排気１４が流れている。また、煙道５２の外壁部も高温である。そのため、煙道５２の外壁部にメイン噴射弁７６を直接配設すると、メイン噴射弁７６の作動環境を著しく越えるおそれがある。すなわち、メイン噴射弁７６が電磁弁の場合には、電磁弁を駆動するためのコイルや磁気回路が熱の影響を受けて損傷し、動作不良を生じる場合がある。また、メイン噴射弁７６の噴孔（以下、適宜、ノズルという。）内で尿素水が沸騰すると、尿素析出が生じる。ノズル内での尿素析出は、メイン噴射弁７６の噴射量特性の変化や、噴霧５３の形状の変化等が生じるために、メイン噴射弁７６に対する所定の性能を維持することができなくなり、結果的にエンジンから排出される排気１４中のＮＯｘの低減率（脱硝率）が著しく悪化する。なお、析出によってノズルが完全に詰まると、噴霧５３を煙道５２内へ供給できなくなる。
【００６２】
それらを改善するために本実施形態では、排気１４及び煙道５２からメイン噴射弁７６への熱の伝達を抑制する手段と、メイン噴射弁７６を冷却する手段を設けている。
【００６３】
以下にその手段について述べる。第一に、メインホルダー７８内に形成された冷却室１０１を通過する冷却流体である尿素水８４を冷却室１０１の高温側から低温側に向けて供給している。すなわち、冷却水入口８０を煙道５２に近い側に配置し、冷却水出口８２を煙道５２より離れた位置に配置している。そのため、冷却室１０１内のより高温な部分に、より低温の尿素水８４を供給することが可能となり、各温度勾配が急激になるため冷却室１０１内の高温部の温度低減に効果がある。
【００６４】
第二に、冷却水入口８０と冷却水出口８２の開口部中心位置を異ならせるとともに、メイン噴射弁７６を取り囲むごとく多段の環状空間である冷却室１０１を形成し、冷却室１０１内を通過する尿素水８４に効率よく旋回流を生じさせている。これによって、冷却室１０１内での尿素水８４の流れによどみが生じにくくなり、局所的な冷却室１０１内の温度上昇を防止できる。さらに、メイン噴射弁７６の外周に沿って旋回流を形成し、メイン噴射弁７６のノズルやコイル部及び磁気回路部等の冷却性能を高めている。
【００６５】
第三に、冷却水入口８０から流入した尿素水８４は低温であるが、冷却室１０１を通過することによって冷却室１０１内で温度が上昇する。そして、冷却水出口８２の尿素水８５の温度は、冷却水入口８０の尿素水８４の温度に比べて高くなる。したがって、冷却室１０１内での尿素水８４による冷却効果は、冷却水出口８２付近に行くに従って低下する傾向にある。そのため、冷却水入口８０付近の尿素水８４の温度が比較的低いときは、例えば、冷却室１０１を流れる尿素水８４の流速を低くするため、比較的広い空間に尿素水を供給し、冷却水出口８２付近の尿素水温度が上昇する箇所では、冷却室１０１を流れる尿素水８４の流速を速くするため、比較的狭い空間を尿素水８４が流れる構成とする。
【００６６】
すなわち、尿素水８４が冷却室１０１内を通過する通路断面積を小さくすることによって通過流速を早くし、熱伝達率を高くすることによって、冷却水出口８２側の比較的温度の高くなった尿素水８４でも冷却を促進することができる。
【００６７】
また、メイン噴射弁７６を高温の排気１４及び煙道５２から保護するため、本実施形態では、メインホルダー７８と煙道５２の対向する外壁部間に断熱材１０５とテーパー部材１２４を配設する。断熱材１０５とテーパー部材１２４の配設により、煙道５２からメインホルダー７８に熱伝導される熱量を低減できる。
【００６８】
また、テーパー部材１２４を配設することにより、メイン噴射弁７６から噴射される噴霧５３の噴孔を煙道５２から離れた位置に配設することができ、煙道５２内を流れる排気１４の熱による影響を低減できる。さらに、排気１４からメインホルダー７８への熱伝達される熱量を低減する目的で、メインホルダー７８とテーパー部材１２４の間に断熱空間１０７を形成している。断熱空間１０７は、テーパー部材１２４の外壁の一部とメインホルダー７８のホルダー内筒９０の外壁の一部で形成されている。また、ホルダー内筒９０に形成された突起１２２は、テーパー部材１２４と接触せず、環状の狭い隙間１２０を形成し、断熱空間１０７とテーパー部材１２４の内部空間及び煙道５２内は連通した構成である。これによって、テーパー部材１２４からホルダー内筒９０に形成された突起１２２への熱伝導が抑制されるため、突起１２２内に配設されるメイン噴射弁７６のノズル温度の昇温を抑制できる。
【００６９】
ここで、テーパー部材１２４と突起１２２が接する構造の場合、高温の排気１４からの熱が煙道５２へ熱伝達されたのちに煙道５２の壁面を熱伝導し、テーパー部材１２４を介して、ホルダー内筒９０の突起１２２に熱伝導される。そして、ホルダー内筒９０の突起１２２周辺の温度が上昇するため、メイン噴射弁７６のノズル先端部が昇温される。これにより、ノズル内の尿素水温度が昇温されて尿素水が沸騰することによる尿素の析出が懸念される。また、断熱空間１０７が密閉空間であり、密閉空間内に空気が充填されていたとすれば、排気１４温度の昇温に伴い、密閉空間内の空気が膨張するために圧力が上昇し、密閉空間内に無駄な力が発生するために安全性の面から好ましくない。このことから、環状隙間１２０を形成できない場合でも、例えば、小さな穴を開けて排気１４内部もしくは外部と連通させておくことが好ましい。
【００７０】
次に、図６を用いて、尿素水の噴霧５３に伴う液流の発生による煙道内の尿素析出を防止する技術について説明する。
【００７１】
先ず、従来例は、図６（ａ）に示すように、煙道５２の内壁面よりも外側にメイン噴射弁７６のノズルが配置され、そのノズルと煙道５２内を連通する円柱状の流路１３３は、円筒部材１３４の内周側に形成されており、尿素水の噴射方向の断面積が均一になっている。この円筒部材１３４をメインホルダー７８と煙道５２の外壁面との間に配置することにより、メイン噴射弁７６を熱的に保護することができ、ノズル内での尿素水の沸騰を抑制し、尿素析出を防止できる。さらに、電磁弁であるメイン噴射弁７６のコイル部及び磁気回路部を保護できるため、所定量の尿素水の噴霧５３を安定して供給できる。
【００７２】
メイン噴射弁７６から噴射された噴霧５３は、煙道５２内へ流路１３３を介して噴射される。しかし、メイン噴射弁７６から噴射された噴霧５３が流路１３３内に噴射されると、図示矢印のごとく噴霧５３の周囲に気流が生じる。
【００７３】
これは、噴霧５３が比較的早い流速で噴射されるため、噴霧５３周囲の気流が噴霧５３に誘引されて、矢印のような気流の流れが生じるものである。そして、その気流の流れに、噴霧５３中の一部の微細液滴が巻き込まれると、噴霧５３の周囲に微細液滴の巻き込み現象が生じる。ここでは、この巻き込み現象が生じる空間を巻き込み空間と呼ぶことにする。この現象によって、巻き込まれた微細液滴は、メイン噴射弁７６のノズル周辺や流路１３３の壁部１３５等に付着する。付着した微細液滴は、徐々に蓄積されて液滴同士が結合し最終的に尿素水の液流１３６となって、壁部１３５等から煙道５２内へ液垂れする。煙道５２内へ液垂れした尿素水は、煙道５２の内壁面にて、尿素水の水分のみが蒸発されて尿素が析出する。
【００７４】
この対策として、本実施形態では、図中（ｂ）に示すように、煙道５２の内壁面よりも外側にメイン噴射弁７６のノズルを配置し、そのノズルと煙道５２内を連通する円錐台形状の流路１２５は、尿素水の噴射方向の断面積が連続的に大きくなるように、テーパー部材１２４の内周側に形成される。テーパー部材１２４をメインホルダー７８と煙道５２の外壁面との間に配置することにより、メイン噴射弁７６を熱的に保護することができる。
【００７５】
ここで、メイン噴射弁７６から噴射された噴霧５３は、煙道５２内へ流路１２５を介して噴射される。この流路１２５は、例えば、噴霧５３の噴霧外周に沿うような形状のテーパー形状をしている。したがって、噴霧５３の巻き込み空間を小さくすることができ、噴霧５３が比較的早い流速で噴射されても、噴霧５３周囲の気流が従来例と比べて誘引されることなく、微細液滴の巻き込み現象を低減できる。よって、流路１２５の内壁面への微細液滴の付着を大幅に低減できる。
【００７６】
なお、本実施形態の流路１２５は、尿素水の噴射方向の断面積が連続的に大きくなるように形成されているが、例えば、断面積が段階的に大きくなるように形成されていてもよい。
【００７７】
流路１２５の噴射方向の下流には、蒸発筒１００が配設されており、流路１２５は、蒸発筒１００の内壁面の内側に形成される空間１０４と連通している。すなわち、蒸発筒１００は、煙道５２の壁面から煙道内に延在して形成され、煙道５２内を通過する排気１４と接するとともに、空間１０４を噴霧５３が通過するようになっている。また、空間１０４は、噴霧５３の噴射方向の断面積が拡大するように形成され、例えば、加熱効率を考慮した薄い板で形成されている。
【００７８】
ここで、多少なりとも流路１２５の内壁面に微細液滴が付着し、液流が生じると、その液流は、蒸発筒１００の内壁面に沿って空間１０４内に流入する。ここで、蒸発筒１００は、煙道５２内を流れる高温の排気１４と接することで、常に排気１４から受熱しているため、高温に保持されている。つまり、蒸発筒１００の空間１０４内に流入した液流は、尿素を析出させることなく、例えば、膜沸騰の形態により気化促進が図られる。これにより、煙道５２内には、尿素水の液流が流入することがなく、尿素析出を防止できる。なお、空間１０４は、噴霧５３の噴射方向の断面積が連続的に拡大して形成されていてもよいし、段階的に拡大して形成されていてもよい。
【００７９】
次に、本発明の他の実施形態について、図６（ｃ）を用いて説明する。
【００８０】
本実施形態では、蒸発筒７５の形状が図６（ｂ）と相違する。図６（ｂ）の蒸発筒１００は、噴霧５３の噴射方向の断面積が拡大する形状であるのに対し、本実施形態の蒸発筒７５は、内壁面の内側に形成される空間の断面積が噴射方向で均一の円筒状に形成されている。これにより、生産性及び組み立て性の向上が図られる。なお、本実施形態は、前述した図６（ｂ）とほぼ同様の作用効果があるため、各部の説明は省略する。
【００８１】
上述した実施の形態の蒸発筒７５，１００は、例えば、複数の穴が穿たれた多孔板で形成されていてもよい。これによれば、その穴を排気１４が通過することにより空気流を形成し、尿素の液流の気化を促進させるとともに、気化した尿素や尿素水の液滴を速やかに排気１４の流れに同伴させることができる。
【００８２】
また、上述した実施の形態では、ノズルと煙道５２内を連通する流路１２５は、尿素水の噴射方向の断面積が連続的又は段階的に大きくなるように形成されるため、尿素水の噴霧の外周と流路１２５の壁面との間の空間を小さくすることができ、噴霧による気流の巻き込みを抑制し、液流の発生を最小限に抑えることができる。そして、例えば、流路１２５から液流が生じて流出したとしても、排気１４の熱を利用して高温に加熱された蒸発筒１００内に導いて、気化を促進させることができるため、尿素を煙道内に析出させることなく、脱硝触媒へ所定量の尿素（アンモニアを含む）を速やかに供給することができる。
【００８３】
加えて、上述した実施の形態によれば、還元剤である尿素水を噴射するための噴射弁の目詰まりを防止し、噴射弁のコイル及び磁気回路を排気熱から保護することができるため、尿素水の噴霧を噴射弁から直接煙道内へ供給することができる。また、排気温度の低温域から高温域に至る温度域において、高い脱硝率でＮＯｘを除去することができる。
【００８４】
また、本発明は、例えば、自動車産業をはじめとするディーゼルエンジンの開発や、使用する分野において広く適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００８５】
【図１】本発明を適用してなる排気処理装置の尿素供給装置とその内部を通過する排気の流れを説明する図である。
【図２】図１の尿素供給装置において煙道内に尿素水を噴射する噴射弁とその供給経路及び冷却手段の構成図である。
【図３】（ａ），（ｂ）及び（ｃ）は、それぞれ尿素供給装置の外観斜視図、正面図及び側面図を示す。
【図４】（ａ），（ｂ）は、それぞれ図３のＢ−Ｂ断面図、図４（ａ）のＤ部拡大図を示す。
【図５】（ａ），（ｂ）は、それぞれ図３のＣ−Ｃ断面図、図５（ａ）のＥ部拡大図を示す。
【図６】（ａ）は、従来例の噴射弁のノズル周りの構造を示し、（ｂ）及び（ｃ）は、本発明を適用した噴射弁のノズル周りの構造を示す図である。
【符号の説明】
【００８６】
３  尿素水タンク
４  尿素水
５  フィルター
６  ポンプ
１３  ＤＰＦ
１４  排気
１６  衝突板
１９  脱硝触媒
５２  煙道
５３，５４  噴霧
６０  加水分解触媒
６７  旋回翼
６９  伝熱管
７１  絞り
７５，１００  蒸発筒
７６  メイン噴射弁
７７  サブ噴射弁
７８  メインホルダー
７９  サブホルダー
１０１，１０２  冷却室
１０７，１０８  断熱空間
１２４  テーパー部材
１２５  流路
１３４  円筒部材
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
2008014213.tif 000006
【図５】
2008014213.tif 000007
【図６】
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