(57)【要約】【課題】エンジンの運転状態にかかわらず、還元剤として取り扱いが容易な尿素を用いて、効率よくＮＯｘを還元除去することができるエンジン用排気ガス処理装置を提供する。【解決手段】排気ガスを、排気ガス煙道３に設けられた脱硝触媒５に導入し、脱硝触媒の存在下でＮＯｘを還元除去する排気ガス脱硝装置において、排気ガス煙道３に設けられた分流手段により、排気ガスの一部あるいは全部を、ヒータ３０による加熱手段を有する尿素水噴射気化器に導入し、排気ガスの熱とヒータからの熱により生成したアンモニアと排気ガスを旋回混合させて脱硝触媒反応器４に導入する。これによって、還元剤として取り扱いが容易な尿素水を用いて、車載用に適したＮＯｘを除去することができる排気ガス処理装置および処理方法を提供する。【選択図】  図１
2004353523.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気ガスを、排気ガス煙道に設けられた脱硝触媒反応器に導入し、脱硝触媒の存在下で窒素酸化物を還元する排気ガス処理装置において、
排気ガス煙道に設けた排気ガス分流路部と、
該排気ガス分流路部に設けられ、排気ガスの一部あるいは全部が導入され、導入された排気ガス中に尿素水を噴射する尿素水噴射弁と、
ヒータによる加熱手段を有して排気ガスの熱とヒータからの熱の一方あるいは両方により、尿素水の微粒液滴および尿素を分解せしめてアンモニアを生成するアンモニア生成部と、
生成したアンモニアを排気ガスに混合させる混合部と、
アンモニアと排気ガスとの混合ガスが注入される前記脱硝触媒反応器と、
を含んで構成されることを特徴とする排気ガス処理装置。
【請求項２】
排気ガスを、排気ガス煙道に設けられた脱硝触媒反応器に導入し、脱硝触媒の存在下で窒素酸化物を還元する排気ガス処理装置において、
排気ガス煙道から導入した排気ガスの一部に尿素水を噴射する尿素水噴射弁と、
ヒータによる加熱手段を有し、少なくとも該ヒータの熱により、尿素水の微粒液滴および尿素を分解せしめてアンモニアを生成するアンモニア生成部と、
ヒータによる他の加熱手段を有して、残留した尿素水の微粒液滴および尿素を解し、生成したアンモニアを排気ガスに混合し、搬送する混合ガス搬送部と、
加熱されたアンモニアと排気ガスとの混合ガスが注入される前記脱硝触媒反応器と、
を含んで構成されることを特徴とする排気ガス処理装置。
【請求項３】
請求項１において、前記排気ガス分流部は、排気ガス温度、排気ガス流量、窒素酸化物センサの一部、あるいは全部の出力に応じて尿素水噴射弁への排気ガスの分流量を変化させる排気流制御バルブを備えることを特徴とする排気ガス処理装置。
【請求項４】
請求項１において、前記混合部は、前記排気ガス分流路に設けたことを特徴とする排気ガス処理装置。
【請求項５】
請求項１において、前記混合部は、前記排気ガス煙道に設けたことを特徴とする排気ガス処理装置。
【請求項６】
請求項１または２において、前記アンモニア生成部は尿素分解触媒反応器を有することを特徴とする排気ガス処理装置。
【請求項７】
請求項１または２において、前記尿素水噴射弁を含んで尿素水噴射装置が構成され、該尿素水噴射装置は、排気ガス温度、排気ガス流量、窒素酸化物センサの一部、あるいは全部の出力に応じて噴射する尿素水の量を変化させる尿素水噴射量制御装置を備えることを特徴とする排気ガス処理装置。
【請求項８】
請求項１または２において、排気ガス温度、排気ガス流量、窒素酸化物センサの一部、あるいは全部の出力に応じて発生する熱量を変化させるヒータ温度制御装置を備えることを特徴とする排気ガス処理装置。
【請求項９】
請求項８において、前記ヒータ温度制御装置は、エンジンの運転状態に応じて、あらかじめ記憶されている発熱パターンに応じて発生する熱量を変化させる熱量変化パターンを備えることを特徴とする排気ガス処理装置。
【請求項１０】
請求項９において、前記熱量変化パターンは、排気ガス温度が高くなる条件下である、排気ガス流量が多くなると発生する熱量を小さく変化させるものであることを特徴とする排気ガス処理装置。
【請求項１１】
請求項１または２において、尿素水の微粒液滴およびアンモニアと排気ガスとは混合は、旋回手段によってなされることを特徴とする排気ガス処理装置。
【請求項１２】
排気ガスを、排気ガス煙道に設けられた脱硝触媒反応器に導入し、脱硝触媒の存在下で窒素酸化物を還元する排気ガス処理装置において、
排気ガス煙道から導入された排気ガスの一部に尿素水を噴射する尿素水噴射弁と、
ヒータによる加熱手段を有し、少なくとも該ヒータの熱により、尿素水の微粒液滴および尿素を分解せしめてアンモニアを生成する第１のアンモニア生成部と、
ヒータによる他の加熱手段を有して、残留した尿素水の微粒液滴および尿素を解せしめてアンモニアを生成する第２のアンモニア生成部と、
生成したアンモニアを排気ガスに旋回手段によって混合し、複数の絞りを備えて加熱されたアンモニアと排気ガスとの混合ガスを一時滞留させながら搬送する混合ガス搬送部と、
前記混合ガスが注入される前記脱硝触媒反応器と、
を含んで構成されることを特徴とする排気ガス処理装置。
【請求項１３】
排気ガスを、排気ガス煙道に設けられた脱硝触媒反応器に導入し、脱硝触媒の存在下で窒素酸化物を還元する排気ガス処理方法において、
排気ガス煙道に設けた排気ガス分流路部から、排気ガスの一部あるいは全部が導入され、導入された排気ガス中に液体還元剤を液体還元剤噴射装置から噴射し、
ヒータによる加熱手段を有して排気ガスの熱とヒータからの熱の一方あるいは両方により、液体還元剤の微粒液滴および液体還元剤を分解せしめてアンモニアを生成し、
生成したアンモニアを排気ガスに混合させ、
アンモニアと排気ガスとの混合ガスを前記脱硝触媒反応器に注入すること、
を含んで構成されることを特徴とする排気ガス処理方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、排気ガス処理装置および処理方法に係り、特に還元剤として尿素を用い、低温域においても排気ガス中の窒素酸化物を効率よく除去することができる排気ガス処理装置および処理方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
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、排気ガス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ＮＯｘと反応性の高いアンモニアによりＮＯｘを効率良く還元処理したことにより、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ある（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
また、特許文献２には、内燃機関の排ガス用配管内に脱硝触媒を配置し、前記配管内に還元剤を導入して排ガスに添加した後に脱硝触媒と接触させることで、前記排ガスを脱硝処理する脱硝装置において、尿素を固体の状態でゼオライトと共に貯蔵する反応器と、前記反応器を加熱する加熱手段と、水を貯蔵する水溶器とを設けて構成し、前記水溶器の水を前記反応器に注入すると共に前記反応器を加熱手段により加熱して加水分解を行うことでアンモニアガスを発生させ、前記アンモニアガスを前記還元剤として排ガスに添加するように構成した脱硝装置が記載されている。
【０００５】
また、特許文献３に記載された事項が知られている。
また、上記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システムがある（例えば、非特許文献１参照）。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００２−１６１７３２号公報（第２‐４頁、第１図）
【特許文献２】
特開２００２−８９２４１号公報
【特許文献３】
特開２００２−３３２８２７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
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
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と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。
【０００８】
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、混合促進し尿素蒸気等で供給することが好ましい。
【０００９】
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・気化促進するものがあるが、噴射された尿素水噴霧が気化するには、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。
【００１０】
また、上記手段の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、十分な気化効率を得られない。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。
【００１１】
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ガス処理装置を適用する場合、たとえば、最大限必要な尿素水（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。
【００１２】
本発明は、還元剤として取り扱いが容易な、例えば尿素水を用い、始動時などの低排気ガス温度、少排気ガス量の領域から、全負荷領域の高排気ガス温度、多排気ガス量までの全運転領域対応と、コンパクトな構成で応答性がよく、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ガス処理装置および排気ガス処理方法を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明においては、全体的な流れとして、以下の考え方にて上記目的を達成する。
尿素水の微粒化を図り、搬送気体として排気ガスを用いる。
始動時など排気ガス量、排気温度が低い運転領域においてはヒータ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容量、消費電力の構成が可能となる。
排気ガス温度が高く、大量のＮＯｘを発生するときには、大量の尿素水を気化できるように排気ガスのもつ熱量を用いる。
尿素水の排気ガスとの熱交換、排気ガスとの混合を効果的に、省スペースで達成させるために尿素水と排気ガスを旋回させるとともに煙道および気化器内通路に複数個の絞りを設ける。
始動時などの排気ガス量が少なく、排気温度が低い運転領域においては脱硝触媒を最短時間で暖機できるように排気ガスを、脱硝触媒に最短距離で供給できるように排気ガス分流手段を有する。
【００１４】
本発明を例示すれば以下のとおりである。
（１）排気ガスを、排気ガス煙道に設けられた脱硝触媒反応器に導入し、脱硝触媒の存在下で窒素酸化物を還元、除去する排気ガス処理装置において、排気ガス煙道に排気ガス分流手段と、前記分流手段により、排気ガスの一部あるいは全部が導入される排気ガス中に尿素水を噴射する尿素水噴射弁および気化混合気からなる尿素水噴射気化器と、ヒータによる加熱手段と、排気ガスの熱とヒータからの熱の一方あるいは両方により、尿素水の微粒液滴および尿素が分解して生成したアンモニアと排気ガスを混合させる混合手段と、上記混合ガスを脱硝触媒反応器に注入する混合ガス注入部とを有し、前記アンモニアを脱硝触媒反応の還元剤として用いることを特徴とする排気ガス処理装置および方法。
尿素水噴射弁に代えて、尿素水あるいは炭化水素（ＨＣ）からなる液体還元剤を噴射する液体還元剤噴射装置を使用するようにしてもよい。
【００１５】
（２）前記排気ガス分流手段は、排気ガス温度、排気ガス流量、窒素酸化物センサの一部、あるいは全部の出力に応じて尿素水噴射気化器への分流量を変化させる前記（１）記載の排気ガス処理装置および方法。
（３）前記尿素水噴射装置は、排気ガス温度、排気ガス流量、窒素酸化物センサの一部、あるいは全部の出力に応じて噴射する尿素水の量を変化させる前記（１）あるいは（２）記載の排気ガス処理装置および方法。
（４）前記ヒータは、排気ガス温度、排気ガス流量、窒素酸化物センサの一部、あるいは全部の出力に応じて発生する熱量を変化させる前記（３）に記載の排気ガス処理装置および方法。
（５）前記ヒータは、エンジンの運転状態に応じて、あらかじめ記憶されている発熱パターンに応じて発生する熱量を変化させる前記（３）に記載の排気ガス処理装置および方法。
【００１６】
（６）前記ヒータは、排気ガス温度が高くなる、排気ガス流量が多くなると発生する熱量を小さく変化させる前記（４）に記載の排気ガス処理装置および方法。
（７）前記混合手段は、尿素水の微粒液滴およびアンモニアと排気ガスを旋回させることにより混合させる前記（１）から（６）に記載の排気ガス処理装置および方法。
（８）尿素水の微粒液滴およびアンモニアと排気ガスが通過する煙道および気化器内通路において、微粒液滴の滞留時間拡大のために複数の絞りを設けた前記（１）から（７）に記載の排気ガス処理装置および方法。
（９）前記混合ガス注入部と排気ガス煙道の連結部のあいだに尿素分解触媒反応器を設けたことを特徴とする前記（７）および（８）に記載の排気ガス処理装置および方法。
（１０）前記尿素分解触媒が、活性成分として金属酸化物または金属複合酸化物を用いたものであることを特徴とする前記（９）記載の排気ガス処理装置および方法。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図面および実施例を用いて説明する。
本発明の第１の実施例を図１乃至図２を用いて説明する。図１は、本発明の一実施例を示す排気ガス処理装置の全体構成を示す図である。ディーゼルエンジン１は、ＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｕｎｉｔ）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。
【００１８】
ディーゼルエンジン１から排出される排気ガス２２の排気通路である煙道３には、ディーゼル微粒子除去装置であるＤＰＦ（Ｄｉｅｓｅｌ  Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ  Ｆｉｌｔｅｒ）４が設置され、その下流には、脱硝触媒（ＳＣＲ：Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ  Ｃａｔａｌｙｔｉｃ  Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ：選択還元型ＮＯｘ触媒）５（脱硝触媒反応器）が配設されている。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。ここで、ＤＰＦ４と脱硝触媒５を接続する煙道３間には、排気流制御バルブ６が設置されている。ここで、排気流制御バルブ６は、ディーゼルエンジン１の運転状況に基づき排気温センサ１５、ＮＯｘセンサ１６、ＮＨ３センサ等のセンサ信号に基づきＥＣＵ２の制御信号によってバルブ駆動装置２８により開閉制御される。ＤＰＦ４と排気流制御バルブ６間の煙道３には、排気ガス分流路である分流管７が接続されている。排気流制御バルブ６および分流管７によって排気ガス分流手段が構成される。また、分流管７には、分流管７内に尿素水噴霧２９を噴射供給する構成で、尿素水噴射弁９が配設されている。また、尿素水噴射弁９下流側の分流管７外周には加熱装置としてのヒータ３０が配設されている。これによって、噴射された尿素水の微粒液滴および尿素を分解せしめてアンモニアを生成するアンモニア生成部が構成される。この時に排気ガスが流れている場合には排気ガスとアンモニアの混合がなされる。ヒータ３０の外周には断熱部材３１が配設され外気との断熱性を向上している。さらに、その下流側には、気化混合器１０が煙道３の外周方向に所定高さにて煙道３軸流方向に長さを持った環状形状にて配設されている。気化混合器１０の外周面には、他のヒータ１１が配設されており所定運転条件に応じて、気化混合器内周面（伝熱面）１２を加熱可能な構成となっている。ヒータ１１の外周には、断熱部材５６が配設され外気との断熱性を向上している。これによって、残留した尿素水の微粒液滴および尿素を分解せしめてアンモニアを生成する他のアンモニア生成部が構成される。気化混合器１０の外内周面である伝熱面１２には、気化混合器１０通路断面積を軸流方向に沿って可変するリング状の絞り１３が複数枚配設されている。さらに、気化混合器１０下流側は、気化混合器出口１４が形成されており、排気流制御バルブ６下流側の煙道３に連通している。
【００１９】
ここで、煙道３内には排気温センサ１５、ＮＯｘセンサ１６、ＮＨ３センサ１７、および図示しないエンジンクランク角センサ等の各種センサが配設されている。これらのセンサによりディーセルエンジン１の運転条件等を把握し、最適な排気流制御バルブ６開度により、煙道３と分流管７へ流入する排気ガス分流比を制御している。さらに、ヒータ１１、３０設定温度、尿素水噴射弁９からの噴射量制御等を行っている。
また、尿素水タンク１７内に貯蔵されている尿素水８は、フィルタ１８からポンプ１９を介して尿素水噴射弁９へ供給される。また、尿素水噴射弁９への尿素水供給圧力は、レギュレータ２０にて所定尿素水供給圧力に調圧されている。一方、レギュレータ２０からの戻り尿素水８は、尿素水タンク１７へ流入するように構成されている。なお、これらは、配管２１にて接続されている。
【００２０】
つぎに、図２に図１中Ａ部拡大図を示す。図２を用いてエンジン用排気ガス処理装置の詳細な構成、および排気ガス流れと尿素水噴射弁９から噴射された噴霧２９と排気ガス流れ２２（図１）、２３、２４の混合気流れ２６、２７につき説明する。ディーゼルエンジン１から排出された排気ガス２２は、ＤＰＦ４を通過後その下流に配設された排気流量制御バルブ６の開閉制御によって、排気流制御バルブ６上流に形成された分流管７内へ分流管入口５４を介して流入するとともに、排気流量制御バルブ６下流側煙道３内へ流入する。これによって、それぞれの排気ガス２３、２４の流量比を制御している。ここで、ディーゼルエンジン１始動時の冷機時は、排気流制御バルブ６開度を調整し、煙道３内へ流入する排気ガス２４量を増量するように制御する。これによって、早期に脱硝触媒５（図１）を活性化でき高脱硝率を確保できる。すなわち、ＮＯｘを効率よく除去するためには、まず触媒を最優先で昇温させている。なお、脱硝触媒５が排気ガス２４にて活性化された後は、各排気ガス２３、２４量の分流比を所定値となるように制御することが好ましい。
【００２１】
分流管７には、尿素水噴射装置を構成する尿素水噴射弁９が配設されており、尿素水噴射量がエンジン運転状態に応じて噴射量制御されている。分流管７内を流れる高温の排気ガス２３が流入時に尿素水噴射弁９から尿素水８が噴霧２９として噴射されることにより、高温の排気ガス２３と尿素水噴霧２９中の液滴が混合し、熱交換し気化促進されながら、尿素水噴霧２９が排気ガス２３によって気化混合器入口２５を介して気化混合器１０内へ混合ガス２６として搬送される。ここで、尿素水噴射弁９下流側の分流管７外周にはヒータ３０が配設されており、所定温度以上に設定されている。これらにより、尿素水噴霧２９の気化促進と尿素水噴霧２９が前記分流管７内壁面へ付着した際にも尿素が析出しない構成となる。さらに、炭酸アンモニウム等の発生を防止している。
【００２２】
気化混合器１０は、気化混合器入口２５が、気化混合器１０の煙道軸流方向垂直断面中心線より所定の距離にて偏芯させて接続されているために、分流管７内を通過してくる排気ガス２３と尿素水噴霧２９が気化混合促進されながら混合ガス２６は、気化混合器１０内で旋回流６５を形成する。これによって、混合ガス２６はさらに混合促進されるとともに、混合ガス２６中の気化しきれていない比較的質量の重い尿素液滴は、気化混合器１０の内外周面である伝熱面１２に積極的に付着することになる。さらに、気化混合室１０内外周の伝熱面１２上には、煙道軸流方向に所定高さ、間隔を持ったリング状の絞りが形成されているため流れのよどみ領域が形成でき、尿素液滴を滞留することが可能となる。ここで、気化混合器１０外周にはヒータ１１が配設されているために、ヒータ１１の発熱により積極的に気化混合器１０内外周面の伝熱面１２に付着滞留している尿素液滴群は、気化促進されることになる。ここで、伝熱面１２の設定温度３００℃程度が好ましい。以上の構成および混合ガス２６流れによって、尿素水噴霧２９を完全に気化することができ、尿素水８を高効率に加水分解できアンモニアに分解することが実現できる。従って、アンモニア生成が極めて迅速に生成される。気化混合器１０にてアンモニアを生成した後、気化混合器出口１４を介して煙道３内へ搬送、供給される。このように気化混合気は、混合搬送部としても作用する。気化混合器出口１４は、煙道３内で混合ガス２７が旋回流６６を形成するように煙道３軸流方向垂直断面中心線より偏芯させて複数個形成されている。そのためアンモニアを多量に含んだ混合ガス２７は、煙道３内に旋回流６６を形成する。よって、排気ガス２４と混合ガス２７は混合促進されるために、混合流体２７中のアンモニアは、脱硝触媒５に均一に供給可能となり、高脱硝率を実現できるためにディーゼルエンジン１から排出されＮＯｘを低減できる。なお、ヒータ３０、１１の熱と排気ガス２３、２４の排熱を用いることによって、尿素水を確実に低消費電力にてアンモニアに加水分解することができるために、高脱硝率でＮＯｘを低減できる。また、気化混合器伝熱面１２上で尿素水液滴を滞留させたことにより、伝熱面から尿素水液滴に伝達する熱量を増大でき、コンパクトな気化混合器にて完全に尿素水を加水分解してアンモニアを生成可能としている。
【００２３】
ここで、気化混合器１０の伝熱面１２に尿素分解触媒を付着させることが好ましい。これによって、尿素の分解率が一層向上でき、早期に比較的低温度雰囲気場においても、脱硝触媒における脱硝率が向上できる。そして、尿素分解触媒の活性成分としては、金属酸化物または金属複合酸化物を用いることが好ましい。
【００２４】
なお、ディーゼルエンジン１始動時等の排気ガス２２量および排気温度が比較的低い運転領域においては、ヒータ３０およびヒータ１１により積極的に気化するようにヒータ３０、１１の発熱量が増大する。さらに、排気流制御バルブ６下流へ流入する排気ガス２４と分流管７へ流入する排気ガス２３の分流比を制御し、適度な排気ガス２３の流量とし、排気ガス２３の排熱を有効活用するとともに気化混合器１０の伝熱面１２へ積極的に尿素水液滴を付着させ、気化促進するように排気流制御バルブ６を制御する。このとき、発生するＮＯｘは少ないため、処理すべき尿素水量は少なく、ヒータは必要最低限の容量、消費電力の構成が可能となる。
【００２５】
一方、排気ガス２３量および排気温度が比較的高い運転領域においては、大量のＮＯｘを発生するために、大量の尿素水を気化する必要がある。よって、分流管７に流入する排気ガス２３流量を増大するように排気流制御バルブ６を調整する。これにより、高温の多量の排気ガス中に尿素水噴霧２９を供給可能となり、ヒータ３０、１１からの発熱量を増大せずとも尿素水噴霧２９の気化促進が可能となる。
【００２６】
ここで、本実施例で用いた尿素水噴射弁９は、尿素水噴射弁９に噴孔４７上流側の弁座上流で尿素水８に旋回を加えることにより尿素水噴霧２９を微粒化する上流旋回式噴射弁を用いている。しかし、これに限定するものではなく、尿素水を微粒化促進する構造の噴射弁であれば良い。すなわち、噴射弁から噴射される尿素水８を微粒化促進することにより尿素水８の気化性能を向上できる気化性能の優れる噴射弁であればよい。
【００２７】
以上の構成、排気ガス流れ等によって、排気流制御バルブ６による排気ガス２３、２４の流量比を分流制御したこと、分流管７内を流れる高温の排気ガス２３に尿素噴射弁９から尿素水噴霧２９を噴射したこと、気化混合器１０内にて、旋回流６５と絞り１３によるよどみ領域を形成したことによって混合ガス２６（排気ガス２３と尿素蒸気と水蒸気を含有）が旋回混合されるとともに滞留時間が確保され、尿素水が気化しやすくなり容易に加水分解が促進されアンモニア（ＮＨ３）と二酸化炭素（ＣＯ２）が生成可能となる。また、アンモニアと排気ガスが混合促進される。そして、アンモニアと二酸化炭素を含有した混合流体２７が気化混合器出口１４から排出され、煙道３へ排出される混合ガス１４は旋回流れ６６として排出されるために排気ガス２４と混合促進されながら、脱硝触媒５に供給される。したがって、脱硝触媒５へ均一にアンモニアを供給できる。その結果、還元剤として注入した尿素水８を効率良く加水分解でき、生成したアンモニアが排気ガス２４中に均一（偏流がなく、均一化）に分散するので、脱硝触媒５にて排気ガス２２中のＮＯｘを効果的に還元、除去できる。
【００２８】
上記の例にあっては分流管７と煙道３の外部に独立して、あるいは一体化して設けているが、分流管（分流路）を煙道３の内部に設けるようにしてもよい。この構成によれば、構造をよりコンパクト化することができる。
【００２９】
次に本発明の第２の実施例を図３乃至図６を用いて説明する。
図３は、本発明の一実施例を示す排気ガス処理装置の全体構成図である。上記第１の実施例との主な違いは、分流管入口５４の取付位置と気化混合器１０ａの構成、および混合ガス出口１４の構成の違いにある。また、本実施例においては、第１実施例に配設されていた排気流制御バルブ６は配設されていない。よって、分流管入口取付構造および分流管７によって排気ガス分流手段が構成される。その他の構成は、第１の実施例と同様の構成であるために説明を省略する。
【００３０】
本実施例では、ディーゼルエンジン１からの排気ガス２２を煙道３と分流管７に分流するために、煙道３内の一部に分流管入口５４を排気ガス２２流れ方向に対向するように開口している。これによって、分流管７内へ流入する排気ガス２３と分流管入口５４下流の煙道３へ流入する排気ガス２４とを分流している。
【００３１】
図４は、図３のＢ部拡大を示す。図３および図４において、煙道３と分流管７は分流管入口５４を介して連通し、分流管７には気化混合器１０ａが連通している。気化混合器１０ａには、尿素水噴射弁９と発熱体であるヒータ４９および伝熱面５０上に複数のリング状絞り４８が配設されている。さらに、気化混合器１０ａ下流には、ハニカム形状の尿素分解触媒３２が配設されている。ここで、尿素分解触媒３２形状は、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。また、尿素分解触媒３２を配設している通路外周には、ヒータ３３が配設され、通路が所定温度以下にならないようにしているとともに、尿素分解触媒３２を早期暖機し、早期に活性化することを可能としている。さらに、ヒータ３３外周には、断熱部材３４が保温のために配設している。これらは、尿素水噴霧２９が気化混合器１０ａ下流側の通路壁面へ付着した際にも尿素が析出しない構成である。さらに、炭酸アンモニウム等の発生を防止している。尿素分解触媒３２の下流は、煙道３内に配設された混合ガス出口５８が配設されている。以上の構成によって、分流管入口５４から気化混合器１０ａ、尿素分解触媒３２、混合ガス出口５８を介して、煙道３内へ連通している構成である。混合ガス出口５８形状は、ベルマウス形状であり、煙道３内へ混合流体２７が分散供給される構造である。
【００３２】
ヒータボディ４２の内部には、副通路６０が構成されており、副通路６０外周には、シーズヒータ等のヒータ４９が配設されている。本実施例では、ヒータにシーズヒータを用いたがそれに限定するものではなく、例えば、板状のＰＴＣ（Ｐｏｓｉｔｉｖｅ  Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ  Ｔｈｅｒｍｉｓｔｏｒ）ヒータ等を用いても良い。これは、上下の平面部が電極となり、上下面の電極に電流を印加することにより、発熱を行なうものである。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。
また、副通路６０には、通路軸流方向に沿って所定の間隔にて複数個の絞り４８が圧入固定されている。
【００３３】
ボディ３９には、ヒータボディ４２と同軸上に配置された尿素水噴射弁９が配設されている。また、尿素水噴射弁９は、尿素水パイプ３６と尿素水パイプオサエ６１でボディ３９に固定されている。尿素水噴射弁９噴孔４７は、混合室４６に配設されている。よって、尿素水噴射弁９から噴射された尿素水噴霧２９混合室４６へ供給されるとともに、その下流の副通路６０内に供給される。
【００３４】
分流管入口５４を介して、分流管７へ流入した排気ガス２３は、分流管７下流に配設された気化混合器１０ａへと流入する。気化混合器１０ａへ流入した排気ガス２３の排熱とヒータ４９の熱により、尿素水噴射弁９より噴射された尿素水噴霧２９を尿素蒸気と水蒸気にし、その後加水分解してアンモニアに分解する。これによって、排気ガス２３とアンモニアとの混合器２７ａを生成する。また、気化混合器１０ａ内でアンモニアに分解されない尿素は、気化混合器１０ａ下流の尿素分解触媒３２にて完全に加水分解し、アンモニアに分解している。よって、混合ガス出口５８からは、尿素噴霧２９を完全に加水分解したアンモニアが煙道３内へ供給される。煙道３内へ供給された混合流体２７は、排気ガス２４と混合促進しながら、脱硝触媒５へ均一に分散供給される。そして、脱消触媒５上にて排気ガス中のＮＯｘを効果的に還元、除去し排気する。
【００３５】
図５（ａ）は図３中Ｂ部斜視図である。図５（ａ）のＡおよびＢ方向矢視図を図５（ｂ）、（ｃ）に示す。図６に図５（Ｃ）中Ｆ−Ｆ断面図を示す。図４に図５（ｂ）中Ｅ−Ｅ断面図である。
図６は、図５（ｃ）Ｆ−Ｆ断面である気化混合器１０ａのボディ３９断面図である。ボディ３９には、排気ガス導入パイプ３７が配設されており、排気ガス導入パイプ３７は、ボディ３９内部の調圧室４３に連通している。調圧室４３内には、旋回ノズル５９が配設されている。なお、排気ガス導入パイプ３７は、調圧室４３の図中断面中心軸から距離Ｌだけオフセットした配置構成としている。よって、排気ガス導入パイプ３７内を通過する排気ガス２３は、調圧室４３の断面中心軸よりオフセットした位置へ導入する。
【００３６】
また、旋回ノズル５９は、複数の翼断面形状を持つフィン４４が円周状に等間隔に形成されており、各フィン４４間で形成される通路断面積が排気ガス２３入口側の通路断面積が広く、出口側通路断面積が狭くなる形状となっている。また、各フィン４４間を通過する排気ガス流４５の流速が一定となるように、調圧室４３の通路断面積は下流に進むに従い、徐々に小さくなるスワール形状とする。スワール形状は、調圧室４３の外径を一定とし、尿素水噴射軸流方向である奥行きの高さを徐々に小さくしていく形状とすることで、限られたスペースでスワール構造が採用できる構造である。
また、図中旋回ノズル５９断面内周方向には混合室４６が形成されている。そして、混合室４６上流側には、尿素水噴射弁９が配設されている。
【００３７】
つぎに、上記構成の気化混合器１０ａを配設した内燃機関１から排出される流体流れにつき説明する。  本実施の形態では、ディーゼルエンジン１の運転にともない煙道３内に排気ガス２２が流れる。この流れにより、分流管７内へ排気ガス２３が流入し、排気ガス導入パイプ３７に流入することにより、気化混合器１０ａ内へ流入する。ここで、気化混合器１０ａに配設された尿素水噴射弁９から噴射された尿素水噴霧２９は、噴孔５４下流側の混合室４６へ供給される。
【００３８】
混合室４６には、排気ガス導入パイプ３７から分流管７で分流された排気ガス２３が旋回ノズル５９に形成された各フィン４４間を通過し均一流速にて排気ガス流４５として供給される。混合室４６に供給された排気ガス流４５は、混合室４６にて排気ガスの旋回流れ６２となる。そして、尿素水噴霧２９と旋回流れ６２によって、尿素水噴霧２９を伝熱面５０の周方向にほぼ均等に供給する。伝熱面５０に供給された尿素水噴霧２９は、伝熱面５０に尿素水噴霧（液滴）として、旋回流れ６２に沿って混合室４６下流の副通路６０の伝熱面５０上を旋回しながら通過する。ここで、副通路６０の伝熱面５０には、絞り４８が配設されており、伝熱面５０内径と絞り４８内径による段差にて、尿素水噴霧（液滴）２９を伝熱面５０上に所定量滞留させることが可能となり、気化を促進している。
【００３９】
さらに、絞り４８を配設した気化混合器１０ａにおいて、尿素水噴霧（液滴）２９は、排気ガス旋回流れ６２に沿って、副通路６０の円筒状の伝熱面５０内を旋回しながら、軸流方向下流側へと移動する。排気ガス旋回流れ６２と尿素水噴霧（液滴）２９は、軸流方向の速度成分と、旋回方向の速度成分をもっている。ここで、副通路６０の伝熱面５０に絞り４８を配設したことにより、伝熱面５０を移動する尿素水噴霧（液滴）２９の軸流方向成分が、旋回方向成分へ変換される。言い換えると、軸流方向速度成分が小さく、旋回方向速度成分が大きくなるために、排気ガス旋回流れ６２および、これに沿って流れる尿素水噴霧（液滴）の旋回々数が増加でき、伝熱面５０上に尿素水噴霧（液滴）２９が滞留する時間を大幅に拡大できる。さらに、絞り４８により、副通路６０軸流方向断面積が変化するために流れのよどみ領域が形成できるために尿素水噴霧（液滴）２９を滞留させることができる。
【００４０】
ここで、本実施例の絞り４８の効果につき説明する。副通路６０に絞り４８を配設することにより、尿素水噴射弁９から供給される尿素水噴霧（液滴）２９の気化促進を図ることができると同時に、気化混合器１０ａ外への尿素水液流の発生を抑制できる。言い換えると、尿素水噴霧（液滴）２９を伝熱面５０に滞留させる時間を拡大することにより、尿素水気化量を拡大できる。すなわち、滞留時間を拡大できるために同尿素水量の尿素水を気化するために少ない発熱容量で実現できるために、小型の気化混合器１０ａが実現できる。
また、排気ガス２２中のＮＯｘも第１の実施例同様に脱硝触媒５にて効果的に還元、除去できる。
【００４１】
次に本発明の第３の実施例を図７乃至図８を用いて説明する。図７は、本発明の一実施例を示す排気ガス処理装置の全体構成図である。図８は、図８中Ｇ部拡大図である。第１の実施例との主な違いは、気化混合器１０ａの構成の違いと、尿素水噴射弁９から下流の分流管７の構成に違いにある。その他の構成は、第１の実施例と同様の構成であるために説明を省略する。
【００４２】
本実施例では、尿素水噴射弁９下流の分流管７内にリング状の絞り５１を配設している。なお、第１の実施例同様に、尿素水噴射弁９下流側の分流管７外周にはヒータ３０が配設されている。ヒータ３０の外周には断熱部材３１が配設され外気との断熱性を向上している。そして、分流管７は、分流管出口６３を分流制御バルブ３下流側の煙道３内に開口している。分流管出口６３形状は、ベルマウス形状であり、煙道３内へ混合流体２７が分散供給される構造である。分流管出口６３下流の煙道３内には、煙道３内を流れる流体の混合促進および後述する尿素水液滴を煙道３内周面である伝熱面に付着させるための翼５３が形成された旋回部材５２が配設されている。また、翼５３近傍から下流側の煙道３外周面には、図２に示すと同様に、発熱体であるヒータ１１が配設され、該煙道３内壁面である伝熱面５５を加熱可能としている。また、ヒータ１１の外周には、断熱部材６４が配設され外気との断熱性を向上している。伝熱面５５部には、所定の間隔で煙道３軸流方向に沿ってリング状の絞り６７が配設されている。
【００４３】
つぎに、上記構成の内燃機関１から排出される流体流れにつき説明する。分流管７内に流入した高温の排気ガス２３中に尿素水噴射弁９から噴射された尿素水噴霧２９が噴射されることにより、気化が促進されるとともに、尿素水噴射弁９下流に配設されたヒータ３０のヒータ熱によりさらに気化促進される。また、該分流管７内には、絞り５１が配設されているために排気ガス２３と尿素水噴霧２９の混合流体流れが、絞り５１の上下流にてよどみ領域を形成し滞留する。そのため、より効率的に前記混合流体に熱が供給できるために気化促進される。よって、加水分解が促進され尿素がアンモニアに分解した混合流体２７が生成され、その下流の分流管出口６３より排出される。ここで、分流管出口６３はベルマウス形状であるために煙道３内に配設された旋回部材５２上流に分散して供給される。旋回部材５２上流に供給された混合流体２７は、旋回部材５２に形成された翼５３によりその下流において旋回流れ２７となる。これによって、混合流体２７中の残留尿素液滴等の比較的質量のあるものが煙道３の伝熱面５５に付着する。さらに、伝熱部５５上には、絞り１３が煙道軸流方向に沿って複数枚配設されているために、絞り１３上下流にてよどみ領域が形成され滞留することにある。混合流体２７中の残留尿素液滴が完全に気化促進され加水分解されアンモニアが生成可能となる。以上によって、尿素噴射弁９より噴射された尿素水噴霧２９を完全に加水分解によりアンモニアに分解できる。さらに煙道３伝熱面５５上にて混合流体２７が旋回流れ２７を生成するために排気ガス２４と混合促進でき、均一に脱硝触媒５へ供給可能となる。したがって、脱硝触媒５にて排気ガス２２中のＮＯｘを効果的に還元・除去できる。
ここで、気化混合器内伝熱面５５に尿素分解触媒を付着させることが好ましい。これによって、尿素の分解率が一層向上でき、比較的低温度雰囲気場においても、脱硝触媒における脱硝率が向上できる。尿素分解触媒の活性成分としては、金属酸化物または金属複合酸化物を用いることが好ましい。
【００４４】
以上のように、排気ガスを、排気ガス煙道３に設けられた脱硝触媒反応器５に導入し、脱硝触媒の存在下で窒素酸化物を還元する排気ガス処理装置が、排気ガス煙道３に設けた分流管７などの排気ガス分流路部と、排気ガス分流路部７に設けられ、排気ガスの一部２３あるいは全部が導入され、導入された排気ガス中に尿素水を噴射する尿素水噴射弁９あるいは液体還元剤を噴射する液体還元剤噴射装置と、ヒータ３０、１１による加熱手段を有して排気ガスの熱とヒータからの熱の一方あるいは両方により、尿素水あるいは液体還元剤の微粒液滴および尿素あるいは液体還元剤を分解せしめてアンモニアを生成するアンモニア生成部と、生成したアンモニアを排気ガスに混合させる気化混合器１０などの混合部と、アンモニアと排気ガスとの混合ガスが注入される脱硝触媒反応器５と、を含んで構成される。
【００４５】
また、排気ガスを、排気ガス煙道３に設けられた脱硝触媒反応器５に導入し、脱硝触媒の存在下で窒素酸化物を還元する排気ガス処理装置が、排気ガス煙道３から導入した排気ガス中に尿素水を噴射する尿素水噴射弁９と、ヒータ３０による加熱手段を有し、少なくとも該ヒータの熱により、尿素水の微粒液滴および尿素を分解せしめてアンモニアを生成するアンモニア生成部と、ヒータ１１による他の加熱手段を有して、残留した尿素水の微粒液滴および尿素を解し、生成したアンモニアを排気ガスに混合し、搬送する混合ガス搬送部と、加熱されたアンモニアと排気ガスとの混合ガスが注入される脱硝触媒反応器５と、を含んで構成される。
【００４６】
排気ガス分流部７は、排気ガス温度、排気ガス流量、窒素酸化物センサの一部、あるいは全部の出力に応じて尿素水噴射弁９への分流量を変化させる排気流制御バルブ６を備えることができる。
前記混合部は、排気ガス分流路７に設けることができる。
前記混合部は、排気ガス煙道３に設けることができる。
前記アンモニア生成部は尿素分解触媒反応器を有する。
【００４７】
尿素水噴射弁９を含んで尿素水噴射装置を構成し、該尿素水噴射装置は、排気ガス温度、排気ガス流量、窒素酸化物センサの一部、あるいは全部の出力に応じて噴射する尿素水の量を変化させる尿素水噴射量制御装置を備えるようにしてもよい。
排気ガス温度、排気ガス流量、窒素酸化物センサの一部、あるいは全部の出力に応じて発生する熱量を変化させるヒータ温度制御装置を設けることができる。
【００４８】
前記ヒータ温度制御装置は、エンジンの運転状態に応じて、あらかじめ記憶されている発熱パターンに応じて発生する熱量を変化させる熱量変化パターンを備える。
前記熱量変化パターンは、排気ガス温度が高くなる条件下である、排気ガス流量が多くなると発生する熱量を小さく変化させるようにする。
尿素水の微粒液滴およびアンモニアと排気ガスとは混合は、例えば旋回手段によってなされる。
【００４９】
また、排気ガスを、排気ガス煙道３に設けられた脱硝触媒反応器５に導入し、脱硝触媒の存在下で窒素酸化物を還元する排気ガス処理装置が、排気ガス煙道３から導入された排気ガスの一部２３に尿素水を噴射する尿素水噴射弁９と、ヒータ３０による加熱手段を有し、少なくともヒータ３０の熱により、尿素水の微粒液滴および尿素を分解せしめてアンモニアを生成する第１のアンモニア生成部と、ヒータ１１による他の加熱手段を有して、残留した尿素水の微粒液滴および尿素を解せしめてアンモニアを生成する第２のアンモニア生成部と、生成したアンモニアを排気ガスに旋回手段によって混合し、複数の絞り１３、６７を備えて加熱されたアンモニアと排気ガスとの混合ガスをよどみによって一時滞留させながら搬送する混合ガス搬送部と、前記混合ガスが注入される脱硝触媒反応器５と、を含んで構成される。
【００５０】
【発明の効果】
本発明によれば、排気ガス分流手段を設けるとともにエンジンの始動時などの低排気ガス温度、少排気ガス量時には、液体還元剤、例えば尿素水を気化するためにヒータ等の発熱体による気化促進を積極的に活用する。また、エンジンが高負荷領域等の高排気ガス温度、多排気ガス量時には、尿素水を排熱により気化促進を積極的に活用する。さらに、排気ガス２３と尿素水噴霧２９を旋回混合するとともに、尿素噴射弁９下流側通路に複数の絞りを配設することにより、尿素水噴霧２９を滞留でき、気化促進を図れる。したがって、エンジン始動時から全負荷領域までの全運転領域にて、排気ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）を効率良く除去可能な排気ガス処理装置および排気ガス処理方法を提供できる。また、コンパクトな構成および、低消費電力を実現可能である排気ガス処理装置および排気ガス処理方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る第１の実施例のエンジン用排気ガス処理装置を示す図である。
【図２】本発明に係る図１中に示した排気ガス処理装置のＡ部拡大断面図である。
【図３】本発明に係る第２の実施例のエンジン用排気ガス処理装置を示す図である。
【図４】本発明に係る図５（ｂ）中に示した排気ガス処理装置Ｅ−Ｅ断面図であり、また図３のＢ部拡大図である。
【図５】本発明に係る図３中に示した排気ガス処理装置の（ａ）斜視図、（ｂ）正面図、（ｃ）側面図である。
【図６】本発明に係る図５（ｃ）中に示した排気ガス処理装置Ｆ−Ｆ断面図である。
【図７】本発明に係る第３の実施例のエンジン用排気ガス処理装置の構成を示す図である。
【図８】本発明に係る図７中に示した排気ガス処理装置のＧ部拡大断面図である。
【符号の説明】
１…ディーゼルエンジン、３…排気ガス煙道、４…ＤＰＦ、５…脱硝触媒（脱硝触媒反応器）、６…排気流制御バルブ、７…分流管、８…尿素水、９…尿素水噴射弁、１０…気化混合器、１０ａ…気化混合器、１０ｂ…気化混合器、１１、３０…ヒータ、１２…伝熱面、１３、６７…絞り、１４…気化混合器出口、２７…混合ガス、５４…分流管入口。
【図１】
2004353523.tif 000003
【図２】
2004353523.tif 000004
【図３】
2004353523.tif 000005
【図４】
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【図５】
2004353523.tif 000007
【図６】
2004353523.tif 000008
【図７】
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【図８】
2004353523.tif 000010