(57)【要約】【課題】  ディーゼルエンジンから排出されるＮＯｘの低減のために還元剤として尿素を供給する。ヒータ熱を効率よく供給することによって、気化させたのちに加水分解促進を図り、生成されたアンモニアガスを脱硝触媒へ供給する排気処理装置を提供することを課題とする。【解決手段】  ヒータ４３を用いて還元剤である尿素水噴霧３５をアンモニアガス化するために、伝熱管４２内に旋回流を形成させるとともに、伝熱管絞り４８と衝突部材４９および加水分解触媒４４を配設する。【効果】  ヒータ熱の供給と、伝熱管内に旋回流を形成するとともに伝熱管絞りや衝突部材および加水分解触媒を配設することによって、尿素噴霧の気化促進とアンモニアガス化を実現でき、伝熱管部の小型化が図れる。さらに、エンジンの低排気温度時の脱硝性能を向上することができる。【選択図】図６
2008267269.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気中の窒素酸化物を還元するためのエンジン用排気処理装置であって、排気中に尿素水を噴射するための噴射弁と、前記噴射弁から噴射された尿素水を気化するためのヒータ付設の気化器とを有し、前記気化器は伝熱管外周部にヒータが配設されて構成され伝熱管内には尿素水と排気ガスが通過し前記気化器で気化した尿素水を煙道内に供給するエンジン用排気処理装置において、
前記伝熱管内に多孔板である衝突部材を配設したことを特徴とするエンジン用排気処理装置。
【請求項２】
請求項１に記載のエンジン用排気処理装置において、
前記伝熱管内に絞りを配設し、その下流側に前記衝突部材を配設したことを特徴とするエンジン用排気処理装置。
【請求項３】
請求項２に記載のエンジン用排気処理装置において、
伝熱管上流端部に伝熱管内にて排気ガスを旋回させるための固定旋回翼を配設したことを特徴とするエンジン用排気処理装置。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載のエンジン用排気処理装置において、
前記絞り及び前記衝突部材は、伝熱管内壁面と接触するごとく伝熱管軸流方向に所定長さを有する平行部を有し、前記平行部によって前記絞り又は前記衝突部材を伝熱管内に固定するとともに、伝熱管内壁面と前記絞り及び前記衝突部材に接触する接触面積を拡大したことを特徴とするエンジン用排気処理装置。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載のエンジン用排気処理装置において、
気化器である伝熱管外周部に配設されたヒータ外周部に外筒を配設し、ヒータ外周部と外筒内壁面の間に空間である断熱層を形成するとともに、前記断熱層は伝熱管内部と伝熱管出口部で連通したことを特徴とするエンジン用排気処理装置。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか１項に記載のエンジン用排気処理装置において、
前記衝突部材又は前記絞りの下流の前記伝熱管内又はその下流側に加水分解触媒を配設したことを特徴とするエンジン用排気処理装置。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれか１項に記載のエンジン用排気処理装置において、
前記ヒータにて前記気化器内壁面温度を前記気化器内で尿素水が膜沸騰する温度としたことを特徴とするエンジン用排気処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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ための排気処理装置において、発熱体であるヒータ熱によって、尿素水を効率よく気化促進させる技術に関する。
【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、排気が流通する煙道内に、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，アンモニアまたはその前駆体）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、尿素水をタンクに貯蔵しておき、タンクから供給された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、エンジンの排気煙道と排気煙道に設けられた脱硝触媒反応器と、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に尿素水を噴射する第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設け、気化器の下流側に尿素水を噴射する第２の噴射弁を設置し、低排気温度のときに第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を排気煙道に供給し、高排気温度のときに第２の噴射弁から噴射した尿素水噴霧を排気煙道に供給する構成のエンジン用排気処理装置がある（たとえば、特許文献１参照）。
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−１７００１３号公報
【非特許文献１】自動車技術Ｖｏｌ．５７，Ｎｏ．９（２００３）ｐｐ．９４〜９９
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、上記のようなＳＣＲ装置では、エンジンから排出されるＮＯｘに見合った所定量の尿素水を脱硝触媒へほぼ均一に添加させ、速やかに加水分解させアンモニアを生成し、脱硝触媒上でＮＯｘと反応できるようにすることが求められる。また、より効率的にＮＯｘ低減を行うためには、尿素水を脱硝触媒に到達する前にアンモニア化し、アンモニアを脱硝触媒にほぼ均一に分散させることが好ましい。
【０００８】
例えば、非特許文献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を脱硝触媒上流側の煙道内中心部付近に配設することによって、脱硝触媒への尿素水の分散性を向上している。ここで、噴射された噴霧は排気熱を利用して尿素水を加水分解させ、これにより生じるアンモニアによってＮＯｘを低減している。これは、高排気温度のときは、ＮＯｘ低減に関して効果的であると言えるが、低排気温度の場合は煙道内に噴射された尿素水の排気熱による加水分解が促進できないために、ＮＯｘ低減効果が低下することが懸念される。
【０００９】
また、特許文献１においては、低排気温度のときに第１の噴射弁から噴射した尿素水噴霧を気化器にて尿素蒸気を生成した後に排気煙道内に供給し、高排気温度のときに第２の噴射弁から噴射した尿素水噴霧を排気煙道内に直接供給するものがある。これは、エンジンの低排気温度から高排気温度までのエンジンの全運転領域において、高い脱硝性能を得ることが可能であると推察する。気化器は伝熱管とヒータで構成され、尿素水の気化促進のために伝熱管内に流入させた排気に旋回流を形成させ、この旋回流れ中に第１の噴射弁から噴射された尿素水噴霧を供給している。これによって、尿素水噴霧中の尿素水液滴を伝熱管内壁面へ誘導し、伝熱管内壁面上に液滴を接触する時間を確保し気化促進を図っている。
【００１０】
しかし、第１の噴射弁から噴射される尿素水噴霧中の噴霧粒径には分布がある。分布を持った噴霧液滴は微小液滴から粗大液滴まで存在するために、すべての噴霧液滴が伝熱管内を流れる旋回流に同伴して伝熱管内壁面上を通過するとは限らない。すなわち、第１の噴射弁から所定圧力にて噴射された噴霧中の粗大液滴（質量の重い液滴）は所定流速にて噴射された場合に前記旋回流と同伴せずに、噴射方向下流側に直線的に噴射され、伝熱管内壁面へ接触することなく気化器を通過することが懸念される。これによって、噴霧中の粗大液滴の気化促進が図られず、尿素水の気化促進が低下することが懸念される。
【００１１】
そこで、エンジンの低排気温度から高排気温度を含む全運転領域にて、煙道内へ噴射供給される尿素水を効率よく加水分解させ、アンモニアを生成し、高いＮＯｘ低減率（脱硝率）を確保することが必要であり、そのためには、低排気温度時のＮＯｘ低減率の確保が重要である。低排気温度時のＮＯｘ低減率の確保には、尿素水を加水分解にてアンモニアガス化して脱硝触媒へ供給することが重要である。
【００１２】
本発明の目的は、伝熱管とヒータで構成される気化器内に噴射供給される尿素水噴霧中の伝熱管内壁面へ接触しない噴霧（主に噴霧粗大液滴群）に対して、ヒータ熱を効率よく供給し、気化させたのちに加水分解促進を図り、生成されたアンモニアガスを脱硝触媒へ供給できることができる排気処理装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
前記目的を達成するために、本発明のエンジン用排気処理装置は、排気中の窒素酸化物を還元するためのエンジン用排気処理装置であって、排気中に尿素水を噴射するための噴射弁と、前記噴射弁から噴射された尿素水を気化するためのヒータ付設の気化器とを有し、前記気化器は伝熱管外周部にヒータが配設されて構成され伝熱管内には尿素水と排気ガスが通過し前記気化器で気化した尿素水を煙道内に供給するエンジン用排気処理装置において、前記伝熱管内に多孔板である衝突部材を配設したものである。
【００１４】
このとき、前記伝熱管内に絞りを配設し、その下流側に前記衝突部材を配設するとよい。
【００１５】
また、伝熱管上流端部に伝熱管内にて排気ガスを旋回させるための固定旋回翼を配設するとよい。
【００１６】
また、前記絞り及び前記衝突部材は、伝熱管内壁面と接触するごとく伝熱管軸流方向に所定長さを有する平行部を有し、前記平行部によって前記絞り又は前記衝突部材を伝熱管内に固定するとともに、伝熱管内壁面と前記絞り及び前記衝突部材に接触する接触面積を拡大するとよい。
【００１７】
また、気化器である伝熱管外周部に配設されたヒータ外周部に外筒を配設し、ヒータ外周部と外筒内壁面の間に空間である断熱層を形成するとともに、前記断熱層は伝熱管内部と伝熱管出口部で連通するとよい。
【００１８】
また、前記衝突部材又は前記絞りの下流の前記伝熱管内又はその下流側に加水分解触媒を配設するとよい。
【００１９】
また、前記ヒータにて前記気化器内壁面温度を前記気化器内で尿素水が膜沸騰する温度にするとよい。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、低排気温度時に気化器である伝熱管内を通過する尿素水噴霧に効率的にヒータ熱を供給することが実現でき、尿素水噴霧を効率的に気化させてアンモニアを生成したのちに脱硝触媒へ供給するため、低排気温度時の高い脱硝性能を確保することができる。よって、エンジンの低排気温度から高排気温度の全運転領域において、高い脱硝率を確保できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明の実施例を説明する。
【実施例１】
【００２２】
図１は本発明の実施形態に係る排気処理装置の全体構成とその周辺構成を示す図であり、図２は図１中に示した排気処理装置のＡ部に示す尿素添加装置７０の外観斜視図を示す。図３（ａ），（ｂ）はそれぞれ図２中に示した尿素添加装置７０の外観斜視図のＢ方向およびＣ方向矢視図である。図４は図３（ｂ）中に示す尿素添加装置７０のＥ−Ｅ断面図である。図５は図３（ａ）中に示す尿素添加装置７０のＤ−Ｄ断面図である。図６は図５中に示す尿素添加装置７０のＦ部拡大図である。図７（ａ），（ｂ），（ｃ）はそれぞれ尿素添加装置７０の伝熱管４２内に配設される伝熱管絞り４８，伝熱管衝突部材４９，伝熱管旋回翼３０の斜視図を示す。また、図８は本発明の尿素添加装置７０の伝熱管部の尿素処理率を示す図である。
【００２３】
本実施形態の排気処理装置は、例えば、ディーゼルエンジン１から排出された排気１２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添加装置７０と、その上流に配設され、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）１７と、尿素添加装置７０の下流側に配設され、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）１８を備えて構成される。
【００２４】
脱硝触媒１８は、尿素水およびその蒸気や加水分解触媒反応により生成されたアンモニアによる排気１２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１８の下流側には、図示しない煙道およびマフラー等が配設され、外気へと連通している。
【００２５】
尿素添加装置７０には、その内部に形成された煙道１０内に尿素水４を供給するメイン噴射弁２６と、サブ噴射弁２７が２つ配設されている。メイン噴射弁２６は煙道１０内に尿素水４を噴射する際に用いられ、サブ噴射弁２７は後述する分流させた分流排気１４が通過する伝熱管４２内へ尿素水４を噴射する際に用いられる。
【００２６】
メイン噴射弁２６から噴射される噴霧３４は煙道１０内に形成された比較的広い空間
３６に噴射される。
【００２７】
また、尿素添加装置７０の煙道１０内には、空間３６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２０が形成されている。絞り２０には、排気１３流れに旋回流を生じさせるための主流旋回翼１９が配設されている。また、絞り２０とその上流側の煙道１０内の空間３６には、バイパスされた通路である分流通路４１が連通されている。この分流通路４１は絞り２０の上流側にて煙道１０内を流れる排気１２の流れの軸流方向と対抗するように分流通路入口４０が開口して設けられている。分流通路入口４０は分流通路４１を介してその下流側に配設された旋回室３３と連通している。旋回室３３内には、伝熱管旋回翼３０が配設されている。伝熱管旋回翼３０の下流側には伝熱管４２が配設され、伝熱管４２内部には伝熱管絞り４８が２個配設され、さらにその下流側に伝熱管衝突部材４９が２つ配設されている。
【００２８】
なお、伝熱管絞り４８は筒状の所定長さを持った平行部６１を有し、筒状の端部において、筒状の平行部６１の中心方向に向かって、所定高さを持った突起６０が形成されている。一方、伝熱管衝突部材４９は筒状の所定長さを持った平行部６３を有し、筒状の平行部６３の端部が閉じた形状である。さらに、伝熱管衝突部材４９には複数の穴６２が穿かれた多孔（穴）構造を有している。
【００２９】
さらに、その伝熱管衝突部材４９下流側の伝熱管４２内部には加水分解触媒４４が配設されている。伝熱管４２の外周部には発熱体であるヒータ４３が配設され、発熱体であるヒータ４３を加熱することにより伝熱管４２内を流れる噴霧３５を気化促進するようになっている。ヒータ４３の外周部には外筒４７が配設され、ヒータ４３が外気と直接、接することが無いようにしている。そして、ヒータ４３と外筒４７内壁の間には気相である断熱層５３を形成する構成である。この断熱層５３は後述する外筒底部５０と連通する構造である。
【００３０】
加水分解触媒４４の下流側には外筒４７と連通した外筒底部５０が配設され、外筒底部５０の出口部には加水分解触媒５１が配設されている。
【００３１】
加水分解触媒５１の出口部は絞り２０の外壁を取り囲んで設けられる壁２１の内部に形成される環状空間の整圧室４５と連通している。整圧室４５は絞り２０部に穿かれたアンモニア噴出孔４６によって絞り２０の内部と連通している。すなわち、絞り２０上流側の煙道１０内の空間３６は分流通路入口４０を介してアンモニア噴出孔４６と連通するようになっている。ここで、絞り２０に穿かれたアンモニア噴出孔４６は主流旋回翼１９の下流側に配設されている。
【００３２】
次に、尿素水４の各部への供給経路につき説明する。尿素水タンク３内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にて吸引されたのち、ポンプ６から吐出された尿素水４がメイン噴射弁２６とサブ噴射弁２７に所定圧力にて供給される。ここで、メイン噴射弁２６とサブ噴射弁２７への調圧はポンプ６下流側のタンク３とを連通する流路途中に配設された圧力調整弁７にて行われる。
【００３３】
本実施例においては、エンジン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速やかに所定量、脱硝触媒１８へ供給可能とするために、尿素添加装置７０から煙道１０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。
【００３４】
すなわち、高排気温度時には、メイン噴射弁２６から噴射される尿素水４の噴霧３４の供給を主として、噴霧３４を煙道１０内の比較的広い空間３６に噴射したのち、排気１３とともに絞り２０とその内部に配設された主流旋回翼１９を旋回しながら通過することによって、排気１３の熱を授受して気化促進を図り、混合促進を図ったのち、脱硝触媒１８へ供給し、高い脱硝性能を得る。
【００３５】
一方、低排気温度時は、サブ噴射弁２７から噴射される尿素水４の噴霧３５の供給を主として、噴霧３５を伝熱管４２外周部に配設された発熱体であるヒータ４３の熱により、伝熱管４２内部で積極的に気化させるとともに、加水分解触媒４４，５１を通過させることにより尿素水４の噴霧３５のアンモニアガス化を促進させ、続いて、排気１３との混合促進を図ったのち、脱硝触媒１８に供給し、高い脱硝性能を得る。
【００３６】
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、尿素添加装置７０から煙道１０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。
【００３７】
次に、高排気温度時に主として用いるメイン噴射弁２６から供給される尿素水の噴霧
３４の脱硝触媒１８への供給について説明する。
【００３８】
本実施例の排気処理装置において、ＤＰＦ１７を通過した排気１３は、尿素添加装置
７０の煙道１０内の空間３６に供給される。このとき、煙道１０内の空間３６中に噴射された尿素水噴霧３４は、排気１３の熱の授受により、噴霧３４中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。
【００３９】
さらに空間３６の下流側の煙道１０には、通路断面積の絞られた絞り２０が配設されており、絞り２０部には主流旋回翼１９が配設されている。よって、排気１３の気流に同伴して絞り２０部を通過することによって、排気１３の流速が増加するとともに、主流旋回翼１９を通過することによる絞り２０での流れの乱れによって、排気１３と噴霧３４の混合促進が図られる。
【００４０】
以上の排気１３流れと絞り２０と主流旋回翼１９の効果によって、メイン噴射弁２６から噴射された噴霧３４は、高温の排気１３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ながら、脱硝触媒１８へほぼ均一に尿素の噴霧液滴と蒸気およびアンモニアを供給可能となり、高い脱硝性能を得ることができる。
【００４１】
次に、低排気温度時に主として用いるサブ噴射弁２７から供給される尿素水の噴霧３４の脱硝触媒への供給について説明する。
【００４２】
分流通路入口４０から分流通路４１内に流入した排気１２から分流した分流排気１４は、分流通路４１を介して旋回室３３に流入する。旋回室３３内には伝熱管旋回翼３０が配設されている。伝熱管旋回翼３０は円筒状のリング３８部の端面に複数の翼３７形状の突起が形成された構造である。旋回室３３側壁面と伝熱管旋回翼３０の間には空間が形成され、その空間に分流通路４１から流入した分流排気１４が流入する。前記空間に流入した分流排気１４は伝熱管旋回翼３０を通過する際に旋回流を形成されながら伝熱管４２内へと流入する。なお、伝熱管旋回翼３０を介して伝熱管４２内に流入する分流排気１４は伝熱管４２入口部の周方向から均一に流入することが好ましい。
【００４３】
また、旋回室３３内に配設された伝熱管旋回翼３０のリング３８内側を介して、伝熱管４２内に向けてサブ噴射弁２７から尿素水の噴霧３５が噴射される。
【００４４】
ここで、分流排気１４が伝熱管旋回翼３０を通過することによって、伝熱管４２内にて旋回流れを形成しながら流入するため、流れが直角曲り管内を通過する場合に比べて、通路圧損が低減でき、効率良く分流排気１４を伝熱管内へ流入させることが可能となる。さらに、伝熱管４２内で形成された旋回流れによって、伝熱管４２内に噴射された噴霧３５が旋回流れに同伴するために、伝熱管４２内壁面へ強制的に接触させることが可能であり、噴霧３５中の液滴が伝熱管４２内に内壁面へ接触させる時間が拡大することができ、効率よく噴霧３５を気化可能とすることができる。
【００４５】
さらに、伝熱管４２内部には、円周状に連続した突起６０を持つ伝熱管絞り４８が配設されているため、伝熱管４２内で絞り形状を形成する。さらに、伝熱管４２内では、伝熱管旋回翼３０を伝熱管４２入口に配設したために分流排気１４の旋回流れが形成され、サブ噴射弁２７から噴射された噴霧３５の液滴を突起６０部の伝熱管４２内軸流方向の内壁面上下流域でトラップすることが可能となり、噴霧３５液滴の突起６０部の上下流領域での滞留時間が大幅に拡大できるために、伝熱管４２内での噴霧３５の気化促進が図れるものである。
【００４６】
ここで、突起６０部の上下流領域噴霧液滴がトラップされ集中するために、突起６０部でのヒータ４３から噴霧３５液滴への熱伝達量が多くなり、伝熱管４２内壁部の平滑部に比べ、突起６０部の上下流領域での伝熱管４２内壁面温度が低下する傾向にある。考慮すべき点は、伝熱管４２内に配設された伝熱管絞り４８の噴霧３５液滴が突起６０部上下流領域を含む伝熱管４２内にてその沸騰形態が核沸騰形態ではなく膜沸騰形態させる点である。そのために、ヒータ４３から所定発熱量を供給するとともに、突起６０部の高さを適正化し、突起６０部上下流領域での噴霧３５液滴のトラップ量を適正化することにより実現している。ここで、噴霧３５液滴を伝熱管３５内壁面上で核沸騰させた場合、伝熱管
４２管内壁面と尿素水との間の熱伝達が促進され、伝熱管４２内壁面温度が急激に低下し、その内壁面上で尿素が析出するが、噴霧３５液滴の伝熱管４２内での沸騰形態を膜沸騰形態とすれば、核沸騰形態にした場合に比べて、ヒータ４３からの熱伝達率は低下するものの、噴霧３５液滴が伝熱管４２内で液滴状のまま気化されることによって尿素析出が防止できる。
【００４７】
さらに、伝熱管絞り４８は伝熱管４２内壁面に沿うように平行部６１が形成されている。よって、伝熱管４２内壁面と平行部６１との接触面積を拡大させた構造であるために、ヒータ４３の熱が伝熱管絞り４８の突起６０部に入熱しやすい構造であり、突起６０部の噴霧３５液滴の気化による温度低下を防止できる。
【００４８】
以上によって、伝熱管４２内壁面に伝熱管絞り４８を配設したことによって、絞り４８である突起６０の上下流域にトラップされた噴霧３５中の液滴にヒータの熱を与える時間と熱が十分に確保でき、気化促進が図られる。本実施例では、２段の伝熱管絞り４８を配設しているが、さらに多段にすることによって伝熱管４２内壁面での噴霧３５のトラップ量を平準化できるとともに、トラップ量および滞留時間を増大できるために、さらなる気化促進が図られる。
【００４９】
さらに、伝熱管４２内部の伝熱管絞り４８下流側には、複数の穴６２が穿かれた多孔
（穴）構造をした伝熱管衝突部材４９が配設されている。ここで、伝熱管４２内にサブ噴射弁２７から噴射された噴霧３５中には、伝熱管旋回翼３０で形成された伝熱管４２内の分流排気１４の旋回流には同伴せずにサブ噴射弁２７からの噴射方向に沿って飛翔する粗大液滴が存在する。ここで、その粗大液滴は伝熱管衝突部材４９に衝突する。衝突部材
４９に衝突することにより粗大液滴が微細な液滴に分裂するとともに、衝突した粗大液滴はヒータにより加熱された衝突部材４９および分流排気１４の熱によって気化促進が図られる。ここで、噴霧３５の気化促進によって衝突部材４９の温度が低下する傾向にある。上述の伝熱管４２内に配設された伝熱管絞り４８の噴霧３５液滴に対し、突起６０部上下流領域を含む伝熱管４２内壁と同様に考慮すべき点は、衝突部材４９での噴霧３５の沸騰形態を膜沸騰させることである。そのために、ヒータ４３から所定発熱量を供給するとともに、多孔である衝突部材４９の開口率を適正化することによって、衝突部材４９に衝突する噴霧３５液滴の衝突量の適正化を図っている。これによって、噴霧３５液滴を衝突部材４９上で膜沸騰できるために、衝突部材４９での尿素析出が防止できる。
【００５０】
さらに、伝熱管衝突部材４９には伝熱管４２内壁面に沿うように平行部６３が形成されている。よって、伝熱管４２内壁面と平行部６３との接触面積を拡大させた構造であるために、ヒータ４３の熱が伝熱管衝突部材４９に入熱しやすい構造であり、衝突部材４９の噴霧３５液滴の気化による温度低下の防止を図っている。
【００５１】
さらに、平行部６３は多孔（穴）構造であるために尿素液滴をトラップしやすい凹凸形状を伝熱管４２内壁面に形成できる。また、伝熱管４２内壁面上に多孔（穴）構造の平行部６３によって伝熱管４２内壁面上に凹凸が形成できるため、ヒータ４３の熱が伝熱管
４２内へ伝達しやすくなる（ヒータ４３から伝熱管４２内を通過する分流排気１４への熱伝達率が向上する）。よって、噴霧３５の伝熱管４２内における気化促進が図られる。
【００５２】
以上によって、伝熱管４２内に伝熱管衝突部材４９を配設したことによって、衝突部材４９に衝突した噴霧３５中の粗大液滴を分裂させるとともに気化促進を図るために十分な熱を確保できる。本実施例では、２段の伝熱管衝突部材４９を配設しているが、さらに多段にすることによって噴霧３５の伝熱管衝突部材４９への衝突回数が増大できるために、噴霧３５の粗大液滴の分裂による微小液滴の生成と気化促進が図られる。
【００５３】
さらに、伝熱管４２内部の伝熱管衝突部材４９下流には、伝熱管４２内壁面に沿った円筒形状であり円筒垂直断面が格子状の加水分解触媒４４が配設されている。この加水分解触媒４４はヒータ４３の熱を授受しやすくするために母材が金属製のものが好ましい。加水分解触媒４４の配設により、その上流に配設された伝熱管絞り４８および衝突部材４９にて気化しきれなかった噴霧３５液滴を気化促進するとともに、気化促進された尿素蒸気および尿素液滴を加水分解し、アンモニア生成することが可能となる。また、ヒータ４３を伝熱管４２外周に配設し、伝熱管４２内部に加水分解触媒４４を配設したことにより、加水分解触媒４４の活性化温度を容易に形成することができ、排気１４の温度が加水分解触媒４４の活性化温度以下であってもアンモニアガス１５を効率的に生成できる。
【００５４】
さらに、伝熱管４２内に伝熱管絞り４８や衝突部材４９を配設することによって、伝熱管４８内での尿素噴霧３５の気化促進が図れるために伝熱管４２を小型化できる。すなわち、同様の伝熱管サイズで比較した場合、伝熱管４２内に伝熱管絞り４８および衝突部材４９を配設しない場合は、加水分解触媒４４に気化しない噴霧３５が集中するために、加水分解触媒４４上で噴霧３５が気化しきれずに液流となり、核沸騰状態を形成し熱が急激に奪われ、尿素のみが残留し、尿素析出が発生する場合がある。また、液流がそのまま加水分解触媒４４下流に流出し、尿素析出を起こす場合がある。よって、所定量のアンモニアガス１５を脱硝触媒１８へ供給することができなくなり、脱硝性能が低減する。さらに、加水分解触媒４４もしくはその下流で尿素が析出した場合、アンモニアガス１５が通過する通路を閉塞してしまい、アンモニアガス１５を脱硝触媒１８へ供給できなくなる恐れがある。
【００５５】
しかし、伝熱管４２内に伝熱管絞り４８や衝突部材４９を配設することによって、伝熱管４２内での尿素噴霧３５の気化する領域を分散できるために、効率的に尿素噴霧３５を気化することが可能となり、伝熱管４２の小型化が実現できるものである。
【００５６】
なお、本実施例では、伝熱管４２内に伝熱管絞り４８や衝突部材４９を配設する際に、平行部６１，６３の軸流方向の長さによって伝熱管４２内軸流方向における伝熱管絞り
４８や衝突部材４９の位置決めを行っている。すなわち、伝熱管絞り４８と衝突部材４９の平行部６１の軸流方向下流側の端部がそれぞれ伝熱管絞り４８と衝突部材４９の軸流方向上流側の端部と接触し、伝熱管４２内でのそれぞれの軸流方向の位置が決定している。また、最下流に位置する衝突部材４９の平行部６３下流側端部は加水分解触媒４４と接触することにより伝熱管内で固定されている。ここで、加水分解触媒４４は伝熱管４２と接触固定されている。
【００５７】
伝熱管４２内で気化促進された尿素の蒸気は、分流排気１４の熱と発熱体であるヒータ４３から伝熱管４２内へ供給される熱により加水分解が促進される。さらに、伝熱管
４２内とその下流側に配設された加水分解触媒４４，５１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のアンモニアガス化を図ることが出来る。噴霧３５のアンモニアガス化を促進したアンモニアガス１５は加水分解触媒５１下流に配設された整圧室４５に流入し、絞り２０に穿たれた複数のアンモニア噴出孔４６から主流排気１３に誘引されて絞り２０内へ供給される。これは、主流排気１３の通過する絞り２０により伝熱管４２の圧力損失が高くなる分、絞り２０側の静圧が下がり、伝熱管４２の分流排気１４の流量が確保されるためである。
【００５８】
絞り２０内を通過することによって、排気１２の流速と比べて主流排気１３は流速が早くなる。また、配設された主流旋回翼１９を通過することで、主流旋回翼１９の下流側の主流排気１３の流れは局所的に乱れ、旋回流を形成してアンモニアガス１５との混合促進が図られ、混合ガス１６として脱硝触媒１８へ供給される。これによって高い脱硝性能を得ることができる。
【００５９】
エンジン１からの排気１２は、エンジン１負荷によって温度変化し、排気１２の温度が高いときは、尿素水を直接噴射しても、排気１２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１８に必要量供給されるが、排気１２の温度が低いときは、尿素水のアンモニアガス化が進まず、脱硝触媒１８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１２の温度が低いときには、ＮＯｘの低減率（脱硝率）が悪化する。
【００６０】
この対策として、伝熱管４２を用い、発熱体であるヒータ４３による加熱と加水分解触媒４４，５１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１２の温度が高いときは、分流通路４１下流に配設されたサブ噴射弁２７からの尿素水の噴霧３５の噴射を行わず、排気１３中に直接、尿素水噴霧３４を噴射するメイン噴射弁２６のみを用いて尿素水を添加することで、発熱体であるヒータ４３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１２全体を加熱するのではなく、分流排気１４のみを加熱することで、発熱体であるヒータ４３で消費する電力の低減を図っている。
【００６１】
次に、伝熱管４２の尿素処理率について検討した結果を図８に示す。
【００６２】
横軸に検討した伝熱管仕様、縦軸に尿素処理率を示す。図８中の「従来」の仕様は、直管の伝熱管４２内に噴霧３５を所定量噴射した場合であり、「本発明(加水分解触媒無し)」は、直管の伝熱管内に旋回流を形成するとともに、伝熱管絞り４８を軸流方向に２段配設し、その下流側に、伝熱管衝突部材４９を配設したものである。
【００６３】
また、「本発明（加水分解触媒有り）」は、上記「本発明（加水分解触媒無し）」に対して、伝熱管４２内の出口部に加水分解触媒４４を配設したものである。
【００６４】
縦軸の尿素処理率は、噴射した尿素噴霧３５中に含有される尿素質量と伝熱管出口部で回収された尿素質量の比をパーセンテージで示したものである。したがって、尿素処理率が高ければ、尿素水噴霧３５のアンモニアガス化を促進できたものといえる。ここで、伝熱管４２内を通過する分流排気１４量と温度、およびヒータ４３の消費電力は同条件として評価した。
【００６５】
その結果、「従来」場合の尿素処理率が５０％程度に対して、「本発明（加水分解触媒無し）」にすることによって８０％程度となり、「本発明（加水分解触媒有り）」ではほぼ１００％を実現できることを確認した。すなわち、「本発明（加水分解触媒有り）」の本発明の実施形態の適用によって、尿素水噴霧３５をほぼ完全にアンモニアガス化できるものである。
【実施例２】
【００６６】
次に、第１の実施例では、伝熱管４２入口部に伝熱管旋回翼３０、その内部に伝熱管絞り４８と衝突部材４９を配設し、さらにその下流側伝熱管４２内部に加水分解触媒４４を配設した構成である。しかし、それに限定するものではない。すなわち、第１の実施例の構成の伝熱管旋回翼３０および伝熱管絞り４８を用いずに、伝熱管衝突部材４９を複数段配設したものでも、十分に第１の実施例と同等の尿素処理率を得ることができる。衝突部材４９に関する作用効果に関しては、第１の実施例と同様であるために説明を割愛する。
【実施例３】
【００６７】
さらに、第１の実施例では、伝熱管４２入口部に伝熱管旋回翼３０、その内部に伝熱管絞り４８と衝突部材４９を配設し、さらにその下流側伝熱管４２内部に加水分解触媒４４は配設した構成である。しかし、それに限定するものではない。すなわち、第１の実施例の構成の伝熱管４２入口部に配設された伝熱管旋回翼３０を用いず、伝熱管絞り４８と衝突部材４９を第１の実施例以上の複数段配設することによっても十分に第１の実施例同等の尿素処理率を得ることができる。伝熱管絞り４８および衝突部材４９に関する作用効果に関しては、第１の実施例と同様であるために説明を割愛する。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】本発明に係る第１の実施例のエンジン用排気処理装置の全体構成を示す図である。
【図２】図１中に示した排気処理装置の尿素添加装置の外観斜視図である。
【図３】図２中に示した外観斜視図のＢ方向矢視図とＣ方向矢視図である。
【図４】図３中Ｅ−Ｅ断面図を示す図である。
【図５】図３中Ｄ−Ｄ断面図を示す図である。
【図６】図５中Ｆ部拡大図を示す図である。
【図７】本発明に係る伝熱管内に配設された「絞り」と「衝突部材」の斜視図、および伝熱管上流段部に配設された「旋回翼」の斜視図である。
【図８】本発明に係る排気処理装置の効果を示す図である。
【符号の説明】
【００６９】
１  ディーゼルエンジン
３  尿素水タンク
４  尿素水
５  フィルター
６  ポンプ
７  圧力調整弁
１２，１３，１６  排気
１４  分流排気
１５  アンモニアガス
１７  ＤＰＦ
１８  脱硝触媒
１９  主流旋回翼
２６  メイン噴射弁
２７  サブ噴射弁
３０  伝熱管旋回翼
４０  分流通路入口
４１  分流通路
４２  伝熱管
４３  ヒータ
４４  上流加水分解触媒
４５  整圧室
４６  アンモニア噴出孔
４８  伝熱管絞り
４９  伝熱管衝突部材
５１  加水分解触媒
６０  突起部
６１，６３  平行部
６２  穴
７０  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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