(57)【要約】【課題】排気ガス中に均一に尿素水を分散させ、かつ、排気ガスの圧力損失を増加させないようにすること。また、尿素水が壁に付着して固形物の析出に至ることを防止すること。【解決手段】排気煙道３に尿素水を噴射する噴射装置１０と、噴射装置の排気ガス下流側に設けられた脱硝触媒６と、を備え、噴射した尿素水から生成されるアンモニアを用いて排気ガス中の窒素酸化物を脱硝触媒６で還元する排気処理装置であって、排気煙道中の排気ガスの流れ方向を横切るように尿素水を噴射１１し、噴射された尿素水液滴が排気煙道の壁面に到達するまでの排気煙道空間に尿素水液滴が衝突する多孔板１２，１３を多段に設け、多孔板の衝突面を排気ガスの下流側に傾斜させて配置する。液滴が多孔板に衝突する際に膜沸騰させることで尿素水の付着を防止し、反射した尿素水を排ガスに均一に分散させること。【選択図】図１
2007032472.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンの排気煙道に尿素水を噴射する噴射装置と、前記噴射装置の排気ガス下流側に設けられた脱硝触媒と、を備え、前記噴射装置で噴射した尿素水から生成されるアンモニアを用いて排気ガス中の窒素酸化物を前記脱硝触媒で還元する排気処理装置であって、
前記噴射装置は、前記排気煙道中の排気ガスの流れ方向を横切るように前記尿素水を噴射し、
前記噴射装置によって噴射された尿素水液滴が前記排気煙道の壁面に到達するまでの排気煙道空間に、前記尿素水液滴が衝突する固体物体を設ける
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、
前記固体物体は前記排気ガスの流れに対して傾斜させて配置され、
前記尿素水液滴が衝突する側の前記固体物体の面は前記排気ガスの下流側に向くように配置する
ことを特徴とする排気処理装置。
【請求項３】
請求項１または２において、
前記固体物体は多孔物体であることを特徴とする排気処理装置。
【請求項４】
請求項３において、
前記多孔物体は、多孔板であって前記尿素水液滴の噴射方向に沿って少なくとも２段に形成されることを特徴とする排気処理装置。
【請求項５】
請求項４において、
一つの多孔板の孔部を通過した尿素水液滴が他の多孔板に衝突するように、前記多孔板を多段に配置することを特徴とする排気処理装置。
【請求項６】
請求項４において、
前記少なくとも２段に形成された多孔板と前記排気煙道の壁面との間に孔の無い板を設けることを特徴とする排気処理装置。
【請求項７】
請求項１ないし６のいずれか１つの請求項において、
前記噴射装置による尿素水の噴射は、単位時間当たりの噴射回数を調整した断続的な噴射であることを特徴とする排気処理装置。
【請求項８】
請求項１ないし６のいずれか１つの請求項において、
前記噴射された尿素水液滴は噴霧を形成し、前記噴霧は所定の広がり角度をもって前記固体物体に衝突することを特徴とする排気処理装置。
【請求項９】
エンジンの排気煙道に尿素水を噴射する第１の噴射装置と、前記第１の噴射装置の排気ガス下流側に設けられた脱硝触媒と、を備え、前記第１の噴射装置で噴射した尿素水から生成されるアンモニアを用いて排気ガス中の窒素酸化物を前記脱硝触媒で還元する排気処理装置であって、
前記第１の噴射装置は、前記排気煙道中の排気ガスの流れ方向を横切るように前記尿素水を噴射し、
前記第１の噴射装置によって噴射された尿素水液滴が前記排気煙道の壁面に到達するまでの排気煙道空間に、前記尿素水液滴が衝突する固体物体を設け、
前記排気煙道から排気ガスの一部を分流し、前記第１の噴射装置と前記脱硝触媒との間の排気煙道に戻す分流ガス流路を形成し、
前記分流ガス流路に尿素水を噴射する第２の噴射装置を設けるとともに、前記第２の噴射装置の下流側にヒータと加水分解触媒を設ける
ことを特徴とする排気処理装置。
【請求項１０】
請求項９において、
前記脱硝触媒の上流側の前記排気煙道に絞りを設け、
前記絞りによって絞った箇所に前記分流ガス流路からのガスを合流させる
ことを特徴とする排気処理装置。
【請求項１１】
請求項１０において、
前記排気煙道に設けられた固体物体は、パンチングプレートを略半円筒形にした第１の多孔板と、前記尿素水液滴が衝突する側の面を前記排気ガスの下流側に向くように傾斜配置して前記第１の多孔板の下方部に付設した第２の多孔板と、前記絞りの面から浮いた状態で前記排気煙道に設けられた第３の多孔板と、から構成される
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，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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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も知られている（例えば、特許文献１を参照）。
【０００４】
また、排気ガス中に尿素水を添加する装置として、圧縮空気と尿素水を混合して噴射して噴霧を形成し、尿素水の拡散性向上を図った装置も知られている（例えば、非特許文献１を参照）。
【０００５】
さらに、尿素水の添加装置として、圧縮空気を用いずに尿素水噴霧を微粒化するために、かぎ状物体を噴射装置に取り付け、尿素水を噴射した直後に液滴をそのかぎ状物体に衝突させ、そのかぎ状物体の衝突面は尿素水の噴射方向に対して４５゜傾斜させた噴射装置も知られている（例えば、特許文献２を参照）。
【特許文献１】特開２０００−２７６２７号公報
【特許文献２】米国特許第６，２７９，６０３号
【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】
【０００６】
尿素水を排ガスに添加して、脱硝触媒上でＮＯｘを還元反応させて浄化するＳＣＲ装置では、添加した尿素をすみやかに加水分解させアンモニアを生成することと、生成されるアンモニアが排ガス中に均一に分散され、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。
【０００７】
第１のポイントである尿素をすみやかに加水分解させるには、尿素水を噴射する際に極力微粒化を図り、噴霧中の個々の液滴の粒径を小さくすることが有効となる。粒径が小さければ排ガスから熱を受けやすく、尿素水の気化が急速に進み、排ガスと同等の温度に昇温されることにより、気化した尿素の加水分解反応が進む。
【０００８】
このため、噴射液滴の微粒化を図るために、上記非特許文献１に示すように、尿素水と圧縮空気を混合して噴射させることは有効な手段であるが、排気中に空気を供給することになるため、排気ガスの酸素濃度が高まり、ＮＯｘを還元反応させる上で不利になるのと、圧縮空気を消費することでエネルギーの損失になる。このため、圧縮空気を用いずに尿素水の噴霧の微粒化を図ることが、排気処理装置の第１の課題となる。
【０００９】
第２のポイントであるアンモニアガスを排ガス中に均一に分散させることについては、尿素水を添加した後に排ガス流路に絞りや折返し、旋回などを与えて大規模な渦を発生させることにより撹拌を行うことが考えられるが、この種の手段は混合促進を図る程、圧力損失が増大する傾向にある。
【００１０】
エンジン排ガスの流路で圧力損失が増大することは、エンジンのエネルギー効率が低下することに直結し、ディーゼルエンジンの利点であるエネルギー効率の良さが失われる。このため、排ガスの圧力損失を増やさずにアンモニアを均一に分散させることが、排気処理装置の第２の課題となる。
【００１１】
第１の課題に関しては、上記特許文献２のように尿素水を噴射した直後に物体に尿素水を衝突させる手法もあるが、衝突面上では、分離した液滴どうしが再度衝突することで結合を起こすこともあり、微粒化出来る粒径に限度がある。
【００１２】
その他、燃料噴射装置などのインジェクターでは、液の噴射圧力を上げることで微粒化を図っており、同じ手法を用いる選択もある。この手法は、微小液滴が形成される過程では、液が引きちぎられることを表面張力が抑えている環境下で、液の噴出速度を上げることで得た慣性力により液を引きちぎるメカニズムを利用しており、液の噴射圧を上げることで、噴出する液の速度を上げ、それにより慣性力を高め、微小化すると増大する表面張力に打ち勝つことで微粒化を行っている。
【００１３】
この噴射圧力を上げることで微粒化する手法を用いると、噴射圧の増大に伴って尿素水供給ポンプの消費電力が増大し、エネルギー損失が増えると同時に、モータが大型化する分、装置が大型化してしまう。また、高い圧力で噴射した場合、液滴の慣性力が強く、液滴が排ガスの流れに乗らずに貫通して、煙道面に付着してしまう可能性もある。煙道面に液滴が付着した場合、煙道面の温度によっては、付着した尿素水液滴の水分のみが先行して蒸発し、尿素水の濃度が上昇して溶解度を超え、固形分の尿素が析出物として煙道に付着したままになる場合がある。
【００１４】
このような固体尿素の析出は、ＮＯｘを処理するための還元剤として使われないことで、尿素水が無駄になってしまうことの他、固体の尿素よりも融点の高い物質に変態し、固形物として排気ガスに混入することで排ガスの粒子状物質の濃度を増加させる可能性があることや、固形物として脱硝触媒の流路の一部を閉塞させる可能性などもある。また、尿素の固形物は高温環境にさらされることで有害物質を生成することもあり得るので、尿素はすみやかにアンモニア化することが好ましい。よって、尿素水の液滴が煙道に付着することはなるべく避けた方が良い。このため、第１の課題に対しては、尿素水の噴射圧力を上げずに、噴霧の微粒化を図って実現できることが好ましい。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
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。  
エンジンの排気煙道に尿素水を噴射する噴射装置と、前記噴射装置の排気ガス下流側に設けられた脱硝触媒と、を備え、前記噴射装置で噴射した尿素水から生成されるアンモニアを用いて排気ガス中の窒素酸化物を前記脱硝触媒で還元する排気処理装置であって、
前記噴射装置は、前記排気煙道中の排気ガスの流れ方向を横切るように前記尿素水を噴射し、前記噴射装置によって噴射された尿素水液滴が前記排気煙道の壁面に到達するまでの排気煙道空間に、前記尿素水液滴が衝突する固体物体を設ける構成とする。
【００１６】
また、前記排気処理装置において、前記固体物体は多孔物体であって前記排気ガスの流れに対して傾斜させて配置され、前記尿素水液滴が衝突する側の前記多孔物体の面は前記排気ガスの下流側に向くように配置する構成とする。
【００１７】
また、前記排気処理装置において、前記多孔物体は、多孔板であって前記尿素水液滴の噴射方向に沿って少なくとも２段に形成され、前記少なくとも２段に形成された多孔板と前記排気煙道の壁面との間に孔の無い板を設ける構成とする。
【発明の効果】
【００１８】
噴射した尿素水を排気ガス中に配置した多孔板、平板などの板に衝突させるに際して、板に対する尿素水の噴霧衝突密度を低減し、尿素水液滴の板への衝突時に膜沸騰させることで尿素水の付着を防止することができるとともに、反射した尿素水を排ガスに均一に分散させることで脱硝触媒で十分な反応が行われるようにすることができる。
【００１９】
また、排気ガス中に多孔板、平板、半円筒形板などの板を配置することによって、板配置がない場合に尿素水噴射装置から噴射される噴霧が当たるべき排気煙道の壁面に対して、尿素を析出させてしまうという不具合を防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
本発明の第１〜第７の実施形態に係る排気処理装置について、図１〜図１５を用いて以下詳細に説明する。
【００２１】
「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は本実施形態で用いる尿素水液滴が排気煙道に設けられた多孔板に衝突する際の液滴付着防止メカニズムを説明する図である。図３は本実施形態に関する尿素水噴射装置と多孔板の位置関係によって定まる尿素水噴霧の噴霧衝突密度を説明する図である。図４は本実施形態に関する尿素水噴霧が多孔板に衝突する際の現象について、噴霧衝突密度と排気ガス温度の関係で説明する図である。
【００２２】
図１に示す本実施形態の全体構成において、ディーゼルエンジンから排出された排気ガス１は、排気処理のための触媒群を納めた排気煙道３を通過し、粒子状物質（ＰＭ）や窒素酸化物（ＮＯｘ）を除去され、浄化された排ガス２となって大気に放出される。排気ガスを流すための流路は空間節約のために細く出来ることが望ましいが、一般的に云って、触媒は排気ガスとの接触面積を増やすために細かなガス流路が多く形成される構造とされ、この構造によりガスが流れる際の圧力損失は高くなりやすいことから、十分な接触面積の確保と圧力損失低減のために、単に排気ガスを流しているだけの箇所より、流路断面積を大きくするのがよく、触媒群を納めた排気煙道は、その手前の煙道より断面積を拡大させている。
【００２３】
本発明の実施形態における触媒群は、上流側から、酸化触媒４、粒子状物質除去のためのフィルタ（ＤＰＦ）５、脱硝触媒６、アンモニア処理のための触媒７の順に構成するが、これ以外の組合せであっても構わない。
【００２４】
ディーゼルエンジンの排気ガスに含まれる粒子状物質は、フィルタ物質の表面に付着させることで除去されるが、使用に伴いフィルタ５の内部に粒子状物質が蓄積するので、フィルタ詰まり防止のため、蓄積した物質を定期的に焼却して再生する。粒子状物質は炭素を主成分としていることから、酸素を含む排気ガスの温度を上げることで炭素の燃焼反応を起こすことができ、この排気ガスの昇温のために酸化触媒４が用いられる。
【００２５】
すなわち、フィルタ５を再生する際は、ディーゼルエンジンから排出される排気ガス１に未燃物質が多く含まれるようにし、その未燃物質を酸化触媒４で酸化反応させることにより、燃焼熱によって排気ガスの温度を上昇させ、それによってフィルタ５に蓄積された物質を着火させ、ゆるやかに燃焼させることで除去する。
【００２６】
この他、エンジンから排出された直後のガスに含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）はほとんど一酸化窒素（ＮＯ）の状態になっており、これを酸化触媒４で酸化させ、二酸化窒素（ＮＯ２）の状態にすると、フィルタ内の粒子状物質に対して酸化剤として働き、粒子状物質の低減につながる。さらに、脱硝触媒６でアンモニアによりＮＯｘを還元させる反応に関しても、比較的低温の状態では、ＮＯとＮＯ２のモル比が１：１になっている場合に反応が最も進むことから、酸化触媒４により、排気ガス中のＮＯｘの成分をモル比でＮＯ：ＮＯ２＝１：１にすることが有効となる。
【００２７】
尿素水噴射装置１０によって尿素水を噴射し、この噴射された尿素が加水分解されることで生成されるアンモニアを用いて、脱硝触媒６においてＮＯｘを還元する。この場合の尿素が加水分解される反応は次の化学式で表される。
【００２８】
（ＮＨ２）２ＣＯ＋Ｈ２Ｏ  →  ２ＮＨ３＋ＣＯ２
上記化学式より、尿素は水と反応し、アンモニアと二酸化炭素になり、かつ、尿素１モルからアンモニア２モルが生成されることが分かる。また、この反応により生じたアンモニア（ＮＨ３）を用いてＮＯｘを還元する反応は次の化学式で表される。
【００２９】
ＮＯ＋ＮＯ２＋２ＮＨ３  →  ２Ｎ２＋３Ｈ２Ｏ
上記化学式より、ＮＯｘは窒素と水に変換されることで無害化されることが分かる。ＮＯｘとアンモニア（ＮＨ３）に関する反応は上記の他にもあるが、比較的低温の条件下では上記の反応が最も反応速度が速いため、反応促進のためには上記の反応が行われるようにするのが良い。上記の反応では、ＮＯとＮＯ２が１モルづつ消費されることから、排ガス中のＮＯｘを酸化触媒４により、ＮＯ：ＮＯ２＝１：１に近付けることが脱硝反応の促進にとって有効となる。
【００３０】
また、ＮＯとＮＯ２を合計したＮＯｘ＝２モルに対し、アンモニア（ＮＨ３）も２モル消費することから、還元剤としてのアンモニアは、ＮＯｘ：ＮＨ３＝１：１のモル比で供給することが理想となる。尿素にさかのぼって捉えると、ＮＯｘ：尿素＝２：１のモル比で添加するのが理想である。
【００３１】
アンモニアとＮＯｘの反応が理想的に行われなかった場合は、反応しなかったアンモニアが脱硝触媒６を通過して出てくることになる。アンモニアは人体に対して有害な物質であるため、大気に放出するのは良くなく、アンモニアを処理するための触媒７を設ける。一般に、触媒７は酸化触媒でその機能を果たすが、その際の化学反応は次のようになる。
【００３２】
２ＮＨ３＋３Ｏ２  →  ＮＯ＋ＮＯ２＋３Ｈ２Ｏ
すなわち、アンモニアをＮＯｘと水に変換することで、アンモニアの処理がなされる。この方法はＮＯｘを再び生成してしまうために、システムトータルとしてのＮＯｘ低減率が悪化することから、触媒７にはアンモニアとＮＯｘの反応を促進させる機能も持たせることが望ましい。その場合、触媒７の中でアンモニアが一旦ＮＯｘになるが、そのＮＯｘはアンモニアと反応することで窒素と水になるため、最終的にアンモニアが窒素と水になったことになる。このような多元の機能を持った触媒を用いることで、最終的な排ガス２のＮＯｘ濃度をより低減することが可能になる。
【００３３】
尿素水噴射装置１０は、尿素水タンク８から供給しポンプ９で加圧した尿素水を噴射すると同時に、必要な尿素量だけが添加されるように、尿素水の添加量を調整する役割も果たす。噴射装置１０の噴出口は微細な孔にし、ポンプ９で供給される圧力を利用して尿素水が噴出する際の速度を上げ、その慣性力を用いて噴出の際に形成される液滴の微粒化を図る。また、噴射の際に旋回がかかるように噴出させることで、遠心力を利用して液滴の微粒化を図ることもできる。さらに、噴射弁の開閉を数Ｈｚ〜数十Ｈｚ程度の周期で繰返し、開弁時間と閉弁時間の割合を制御することにより、尿素水の噴射量を制御すると同時に、断続的な噴霧を作り出すことができる。
【００３４】
尿素水噴射装置１０から噴射された尿素水で形成される噴霧はそのまま排ガスに混合されるようにするため、排気煙道３に尿素水噴射装置１０を直接取り付ける。この場合、排気煙道は高温の状態であるため、噴射装置１０の内部に存在する尿素水が加熱され、沸騰を起こすことで局所的な尿素の析出を起こし、噴射装置が詰まる恐れがある。
【００３５】
このため、噴射装置１０の内部の尿素水が沸騰しないように、噴射装置の冷却を行う必要がある。この場合の冷却方法としては、噴射弁の弁体を含むボディを冷却流路で覆い、この冷却流路に尿素水を循環させ、この冷却用尿素水の循環は排ガスが高温である間は、尿素水の噴射の有無に関わらず循環させ続けることで行う。このように、尿素水噴射装置１０を直接排気煙道に取り付けることは、装置の冷却が必要になるが、噴射装置で微粒化した噴霧を直接排気ガスに混入させられるため、圧縮空気を使って尿素水液滴の微粒化を図る必要がなくなる。
【００３６】
また、触媒群を納めるために断面積が拡大した排気煙道３に、断面積を絞らずに尿素水噴霧を噴き付けることで、噴射液滴が排ガスと接するための空間を大きく利用することが可能になり、液滴が排ガスと接して熱を受け、気化するための時間を多く取れるようになることから、気化が進み、噴射装置１０で担う微粒化の負担が軽減され、ポンプ９の吐出圧力を過大にする必要がなくなり、装置の小型化を図ることが可能になる。
【００３７】
尿素水噴射装置１０から噴射された液滴は液滴群である噴霧１１を形成して、１段目の多孔板１２に衝突する。噴射装置から噴出する液滴は、粒径が小さいものから大きいものまで分布を持ち、粒径の大きなものは質量が大きいために慣性力が大きく、排ガスから受ける流体力の影響が小さく、ほぼ直線的に飛散する。この直線的な飛散は噴射装置１０の噴孔を出る際の液滴の進行方向でほぼ決まり、噴孔部を頂点とする円錐形になることで噴霧１１を形成する。このため、噴霧１１の形状は噴射装置１０の構造に依存してほぼ決まる。
【００３８】
また、液滴の粒径分布で、粒径が大きい方の割合が高いと、噴霧としての貫通力（噴霧が排ガスの流れに抗して当初の噴霧方向に進行する能力）が強くなり、噴射点から遠い側への噴霧供給が増え、逆に粒径が小さい方の割合が高いと、噴霧の貫通力が弱くなり、噴射直後に液滴は排ガスの流れに乗り、噴射点に近い側への噴霧供給が増える。このため、噴霧を均一に分散させるためには、適切な貫通力の噴霧に調整することが望ましく、単位時間あたりの噴射回数を調整することが有効になる。すなわち、断続的な噴射で、噴射を小刻みに分割すると、噴射が途切れるごとに噴射点近傍に残ろうとする噴霧が増え、噴霧としての貫通力が低下することから、貫通力を増したい場合には、噴射の開閉のサイクルを長くし、貫通力を下げたい場合には、噴射の開閉のサイクルを短くするのがよい。
【００３９】
多孔板１２は、噴霧１１が到達する位置に配置され、排ガスの進行方向に対して傾斜させて配置する。多孔板１２には、金属の板に多数の孔を打ち抜いて製造されたパンチングプレートを用いることが可能である他、金属板に多数の切り起こしを設けたものや、金網など、一定割合の液滴を通過させるための開口を持たせた物体（固体面）で構成することが可能である。多孔板１２の開口部に液滴が来た場合はそのまま通過し、開口部以外の所に到達した液滴が多孔板１２と衝突する。この時、多孔板１２に衝突した尿素水液滴が、そのまま多孔板１２に付着するのを防止するメカニズム、方法について、図２、図３、図４を用いて説明する。
【００４０】
図２は、尿素水液滴１１が多孔板１２に衝突した際に、液滴が付着せずに反射する場合と、付着して壁面に留まってしまう場合の条件を説明する図である。図２において、排ガス温度をＴｇ、多孔板表面温度をＴｐ、尿素水の沸点をＴｕとし，この多孔板表面温度と尿素水沸点の温度差（Ｔｐ−Ｔｕ）が臨界温度差ΔＴｃｒよりも大きい場合、尿素水液滴は多孔板１２に付着することなく反射し、臨界温度よりも小さい場合、尿素水は壁面に付着する現象を表している。この現象は発明者らが考えた次のメカニズムによる。
【００４１】
尿素水液滴１１が多孔板１２に衝突する際、熱量Ｑｕが多孔板から液滴に与えられる。多孔板は熱を奪われる分、排ガスよりも温度が低くなる。また、熱伝達の法則により、排ガスと多孔板の温度差（Ｔｇ−Ｔｐ）と熱伝達率ｈの積に比例して熱量Ｑｇが排ガスから多孔板に与えられる。多孔板１２にとって、奪われる熱量Ｑｕと与えられる熱量Ｑｇが等しい時、平衡状態に達して温度が安定する。このため、液滴に奪われる熱量が大きい場合、多孔板の温度が低下する。
【００４２】
多孔板の温度が尿素水の沸点よりも高くて、衝突する液滴が沸騰を起こすと考えると、多孔板から尿素水への熱の伝わり方は沸騰熱伝達によると見なされる。一般に、沸騰熱伝達には核沸騰と膜沸騰があり、固体側表面温度と液体の沸点の温度差が臨界温度差以上の時に膜沸騰を起こす。膜沸騰が起きる場合は、液と固体壁（本実施形態の例では、尿素水液滴１１と板１２）が直接に接触することはなく、間に必ず気体の層が挟まれる。これは固体側の温度が高いために、液が近づいただけで沸騰を起こし、この沸騰により生じた蒸気が固体壁との間に存在することになるためである。
【００４３】
液体が固体壁に接触している核沸騰に比べて、気相を必ず間に挟む膜沸騰は熱が伝わりにくい特性を持つ。このため、液滴が多孔板に衝突する際、膜沸騰になっている場合は多孔板の温度が高く維持される。また、多孔板の温度を高くすることにより、膜沸騰を起こすことで液が多孔板に直接接触することを防ぐことが出来、衝突した液滴は付着せずに反射する。
【００４４】
一方、液滴１１が集中的に板に衝突するなどして、板の表面温度Ｔｐが低下した場合、液滴が衝突する際の固体壁（板）と液体の沸点の温度差が縮まり、膜沸騰を起こせずに核沸騰に移ると、液滴に伝わる熱量が急速に増大し、板が奪われる熱量が増大することで、より一層、板の温度低下が進む。このような状態に入ると液滴は板壁面に付着するようになる。板に付着した液は、その場にとどまり、尿素水の水分が先行して蒸発し、尿素が析出して、固形物として板に付着した状態に変わる。さらに、固形分となった尿素は特定の温度帯で放置されると、より強固な固体物に変態するなど、弊害を起こす場合がある。
【００４５】
図３は、尿素水噴射装置１０から多孔板１２までの位置関係を拡大して示した図である。ここで、尿素水は平均流量ｍで噴射しており、噴霧１１は広がり角２θを有している。噴霧の噴射点から一段目の多孔板１２までの最短距離がｒで、その距離を先端とした場合の噴霧の先端面の面積をＳとした場合、幾何的な関係から面積Ｓは図３中の式のようにＳ＝２πｒ２（１−ｃｏｓθ）のようになる。この先端面Ｓに単位時間当たりｍの量の尿素水が供給される。
【００４６】
多孔板１２の開口率をａとすると、多孔板１２に到達した噴霧のうち、ａの割合の噴霧は多孔板に衝突せずにすり抜ける。このため、多孔板に衝突する噴霧の単位時間当たりの量はｍ（１−ａ）となる。これを噴霧先端の面積Ｓで割った量が、衝突板の単位面積当りに衝突する噴霧の量を表すことから、これを噴霧衝突密度と捉えることができ、図３中の数式で求めることが出来る。
【００４７】
噴霧は多孔板に衝突する際、一定の熱を奪うことから、噴霧衝突密度は、多孔板を冷却する強度を表す。すなわち、多孔板は単位面積当り、噴霧衝突密度に比例した熱量を奪われる。一方、多孔板が排ガスから受ける熱は、単位面積当りの熱量＝排ガスと多孔板の温度差×熱伝達率、という関係になる。このため、ある安定状態から尿素水噴射を上げて噴霧衝突密度を上げた場合、冷却熱量が増えて多孔板の温度が低下し、それによって排ガスと多孔板の温度差が増加し、排ガスから受ける熱量が増加し、この受熱量が冷却熱量と釣り合った所で多孔板の温度低下は止まり、元の安定状態から多孔板の温度が下がった状態で再び安定することになる。
【００４８】
この際、多孔板の温度が尿素水の沸点よりも十分に高い場合は、噴霧が衝突する時、膜沸騰を起こすので、わずかな冷却熱量で済むが、多孔板の温度が下がり、多孔板と尿素水沸点との温度差が縮まった場合は、膜沸騰から核沸騰に遷移し、噴霧の衝突に伴う冷却熱量が一気に増加し、急速に多孔板の温度が低下する。この様な状態になると尿素水の多孔板に対する付着は避けられない。
【００４９】
図４に、上述した現象の領域分けを行った結果を示す。図４のグラフの横軸は排ガス温度と尿素水沸点の温度差を採っており、右側ほど排ガス温度が高い条件になり、多孔板の温度を高く保ちやすくなる。グラフの縦軸は噴霧衝突密度を採っており、上側ほど多孔板の温度を下げようとする働きが強くなる。ある排ガス温度条件で、膜沸騰の領域にあった場合、そこから尿素水の噴射量を上げていくと、噴霧衝突密度が増加することからグラフの上の方に条件が移動していく。
【００５０】
そうして、多孔板の温度が低下し、膜沸騰を起こせる限界の条件になるのが膜沸騰限界曲線上であり、さらに噴霧衝突密度が増加すると、膜沸騰から核沸騰に変わり、急速に多孔板の温度が低下し、尿素水が多孔板に付着するようになる。このことから、図４のグラフ中で、常に膜沸騰領域になるように多孔板を設計することにより、尿素水が多孔板に付着することを防止できるようになる。
【００５１】
すなわち、排ガスの温度条件と尿素水噴射量が決まっている場合に、尿素水の付着を防ぐには、膜沸騰領域に入るように噴霧衝突密度を下げることで実現する。そのために、図３に示す数式で噴霧衝突密度を下げる働きがあるものを実行する。具体的には多孔板の開口率ａを増やすこと、噴射点から多孔板までの距離を増やすこと、噴霧の広がり角２θを広げることで実行する。この他、尿素水の付着を防ぐ方法として、図４のグラフにおける膜沸騰限界曲線を勾配を大きくし、より高い噴霧衝突密度も膜沸騰領域の範囲内にすることが考えられる。これは、排ガスと多孔板の熱伝達率を上げることで成し得る。
【００５２】
排ガスと多孔板の熱伝達率が高い場合は、噴霧衝突密度が増加して多孔板の温度が下がろうとした場合に、排ガスからより多くの熱が得られるようになり、多孔板の温度低下が抑えられる。このため、膜沸騰限界に達する噴霧衝突密度が高くなり、より広い領域を膜沸騰領域にすることが出来る。このため、多孔板の両面に排ガスが流れることで、両面から熱を受けられるようにすることは、膜沸騰領域を広げるために重要な手法となる。
【００５３】
また、排ガスの流れに対して多孔板を傾斜させることも、排ガスと多孔板の熱伝達率を高くすることに役立つ。さらに、多孔板は、排ガスと熱交換する上で、壁面が途切れることにより温度境界層の成長を抑え、熱伝達率を上げる効果を持つ。
【００５４】
すなわち、多孔板は排ガスに対して先端となるエッジ（多孔板における孔から板に架けての境界縁部）が多数存在しており、このエッジは局所熱伝達率が高く、このエッジを多く持つことが全体の熱伝達率も上げることにつながる。このため、エッジが多くあるのがよく、同じ開口率の多孔板でも、個々の孔のサイズを小さくして、孔の間隔を小さくすることが膜沸騰領域を広げるのに有効となる（孔間隔を小とすることでエッジを多くして、多孔板が排ガスから受け取る熱量を大とする）。その他、多孔板の板厚を薄くすることも、膜沸騰領域を広げるのに有効となる。多孔板に噴霧が衝突する側を表面とした場合、裏面は排ガスから熱を受けるのみであるため表面と裏面にはわずかな温度差がある。これは裏面で受けた熱を表面まで熱伝導で伝える上での熱抵抗に起因する。このため、多孔板の板厚を下げて、厚み方向の熱抵抗を下げることで、表面の温度を上げることが可能になり、膜沸騰領域を広げることにつながる。
【００５５】
また、噴射装置１０で、断続的に噴射を行うことも、多孔板への噴霧の衝突が途切れる間に排ガスから熱を受けられるようになるため、表面温度を下げないことにつながり、膜沸騰領域を広げることにつながる。
【００５６】
また、噴霧衝突密度を下げるために噴射点から多孔板までの距離を増やすには、排気煙道に噴射装置を直接取り付けるた上で、取り付け箇所での排気煙道を絞らないことが有利になる。このことは、排気ガスの圧力損失を増加させないためにも有効である。
【００５７】
図１において、尿素水噴射部の上流側にはフィルタ５があり、装置全体を小型化するために尿素水噴射部とフィルタの距離を縮めようとする場合には、尿素水がフィルタ５にかからないようにすることが好ましい。その際、図１の場合、多孔板１２が右下がりになっていることが有効になる。すなわち、多孔板１２の噴霧が衝突する側の面が、排ガスの流れに対して下流側を向いていることにより、多孔板１２に衝突して反射した尿素水液滴は排ガスの流れの下流側に向かってより多く跳ねることになる。このことで、尿素水液滴がフィルタ５に付着することを防止でき、フィルタの詰まりなどを防止できるようになる。
【００５８】
多孔板１２の下に多孔板１３を配置することにより、多孔板１２をすり抜けた尿素水液滴を衝突させ、より噴霧の分散を図ることが可能になる。多孔板を多段にすることにより、１枚に衝突させる噴霧の量は少なくてもよくなり、すり抜ける液滴の量を増やしてもよくなる。このことは、多孔板の開口率を増やすことで実現できる。多孔板の開口率が増えると噴霧衝突密度が下がることから、噴霧の衝突による冷却が弱まって、多孔板に尿素水が付着することをより防止しやすくなる。
【００５９】
また、多孔板を多段化することにより、尿素水噴霧を排気ガス流路全面により均一に分散させることも可能になる。尿素水噴霧の液滴径がある程度大きい場合は排ガスに対して貫通力が強く、煙道壁面まで到達する噴霧の割合が多くなる。この場合、供給される尿素水の濃度が、煙道壁近傍で濃くなり、脱硝触媒６に供給されるアンモニアも煙道壁近傍が多く、それ以外の場所は少なくなってしまう。局所的なアンモニア濃度が、排ガスのＮＯｘ濃度より低い箇所では、還元剤が不足する分、還元反応が行われなくなり、全体としてのＮＯｘ低減率が悪化してしまう。このため、多孔板１２，１３のように多段に多孔板を配置し、尿素水の供給を特定の箇所に集中させることなく、均一に分散させることが、ＮＯｘ低減率の向上に役立つこととなる。
【００６０】
さらに、多孔板１３（図１の例で多孔板１２より下方に設けた多孔板）の開口率を多孔板１２の開口率より小さくすることにより、多孔板に衝突させる液滴の量の均一化を図ることが可能になり、液滴の均一分散に役立つ。すなわち、多孔板１３には多孔板１２をすり抜けた液滴のみが到達するので、多孔板１２，１３が同じ開口率である場合、衝突する液滴の量では多孔板１３の方が少なくなる。このため、多孔板１３の開口率を多孔板１２より小さくすると、同じ量の液滴が衝突する状態に近づく。
【００６１】
例として、多孔板１２の開口率を６６％、多孔板１３の開口率を５０％とした場合、単純化して考えると噴射装置１０から多孔板１２に到達した噴霧の３４％が衝突して、多孔板１２の上側に噴霧が分配され、６６％がすり抜ける。さらに、この６６％の内の５０％が多孔板１３に衝突して多孔板１２と１３の間に分配され、それ以外が多孔板１３の下側に分配される。排気煙道３の断面内を多孔板１２上側、多孔板１２と１３の間、多孔板１３の下側の３領域に分けて考えると、それぞれの領域には噴射した尿素水の３４％、３３％、３３％が供給され、噴霧が分散されることになる。多孔板１３の開口率を下げた場合、排気ガスが通過することに対しては、多孔板１２より抵抗になるため、排ガスの流れに対する傾斜を小さくすることにより、排気ガスの圧力損失を低減させることが可能になる。
【００６２】
すなわち、多孔板を多段に配置するにあたっては、尿素水の噴射点から遠くなるに従って開口率を下げ、かつ、排気ガスの流れに対する傾斜も減らしていくことが、排気ガスの圧力損失を増やさずに噴霧を煙道断面全体に均一に分散させることに役立つ。なお、本実施形態では多孔板を２段配置しているが、３段以上配置することで、尿素水のより均一な分散を図ることも可能である。
【００６３】
多孔板１３の下段に、開口のない平板１４を配置することにより、全ての多孔板をすり抜けた液滴が排気煙道３に付着することを防止できる。排気煙道３は、外側が大気にさらされるために温度が下がりやすく、尿素水液滴が衝突した場合は反射せずに、付着したままになりやすい。一方、煙道内に配置した平板１４は、板の表裏両面を排ガスが流れることにより、排ガスから熱を受け続けることで高温に維持することが容易となる。このため、尿素水液滴を煙道壁面に衝突させるよりは平板１４に衝突させる方が液滴の付着防止を図れる。
【００６４】
また、多段に配置した多孔板の最後の段に位置する場所に開口を持たない板を配置することによって、煙道壁面には液滴が到達出来ないようになり、付着防止が確実になされる。また、平板１４は、排気ガスの流れと完全に平行に配置することにより、排気ガスの圧力損失低減が図れる。
【００６５】
多孔板１２，１３および平板１４を配置した箇所から脱硝触媒６までの間にある程度の空間を設けると、噴射した尿素水の気化と加水分解反応によるアンモニア生成に要する時間を確保できることと、アンモニアと排ガスの混合が図れることからＮＯｘ低減率を向上することに役立つ。
【００６６】
以上示した第１の実施形態については、図１に示した多孔板１２，１３及び平板１４の構造と配置を例示して説明したが、多孔板が本実施形態の必須構成要素に限ることはなく、例えば、多孔板を用いることなく、寸法の小さい平板（図１の多孔板１２の寸法に比べて、例えば数分の１程度の寸法）を排ガス流れの斜め方向に多数、多段で配置して、多孔板と同様な機能を奏させることもでき、この場合には、板状体のみで尿素水液滴の衝突対象とすることができ、この板状体の構造と配置も本実施形態における他の構成例である。
【００６７】
「第２の実施形態」
図５は本発明の第２の実施形態に係る排気処理装置における尿素水添加部の構成を示す図である。第１の実施形態と同じ機能を持つ部品や対象に関しては符号を同じにして説明を省略する。また、フィルタ５の上流側や脱硝触媒６の下流側の構成は第１の実施形態と同じであるため図５では省略する。
【００６８】
第２の実施形態では、尿素水噴射装置２１の噴射方向を、排ガスの流れに対して垂直より下流側に向けて傾斜させている。これにより、噴射によって形成される噴霧２２が噴射点より排ガスの上流側に到達するのを減らすことが出来るようになり、フィルタ５と噴射装置２１の距離を縮めても噴霧がフィルタ５にかかることを防止できる。このことにより、装置の小型化を図ることが可能になる。
【００６９】
また、噴射方向が排ガスの下流側を向いていることにより、多孔板２３，２４に衝突した液滴は、排ガスの下流側に反射しやすくなることから、多孔板２３，２４を排ガスの流れに対して、図５に示すように平行に配置しても構わない。排ガスの流れに平行に配置することは、排ガスの圧力損失低減と、製造上で容易になるという利点がある。
【００７０】
「第３の実施形態」
図６は本発明の第３の実施形態に係る排気処理装置における尿素水添加部の構成を示す図である。第１の実施形態と同じ機能を持つ部品や対象に関しては符号を同じにして説明を省略し、フィルタ５の上流側や脱硝触媒６の下流側の構成は第１の実施形態と同じであるため図６では省略する。
【００７１】
第３の実施形態では、尿素水噴射装置３０の噴射方向を、排ガスの流れに対して垂直より上流側に向けて傾斜させている。板３７，３８，３９，４０を配置して、噴射装置３０から噴射されて生じる噴霧３６に衝突させることで、噴霧が上流側のフィルタ５に到達することを防ぐ。また、板１４を配置して、噴霧３６が煙道３に付着することを防止する。板３７，３８は開口のない平板を用いることで、上流側にすり抜ける液滴をなくすと同時に、尿素水の付着を防止するために、短い板で構成し、排ガスから受ける熱に比べて少ない尿素水噴霧のみが衝突するようにする。板３８，３９は多孔板を用いることで、一部の液滴をすり抜けさせ、多段で処理を行う。
【００７２】
噴射方向が排ガスの上流側を向いていることにより、噴霧３６は一旦上流側に進んだ後、板３７，３８，３９，４０に衝突して排ガスの下流側に進むことから、噴射装置３０を出てから脱硝触媒６に到達するまでの移動距離が長くなる。この長くなった移動時間の間に排ガスから十分に熱を受けることが可能になり、尿素水の気化がより進み、速やかにアンモニアが生成され、脱硝性能を高めるという利点がある。
【００７３】
「第４の実施形態」
図７は本発明の第４の実施形態に係る排気処理装置における尿素水添加部の構成を示す図である。第４の実施形態においても、第１の実施形態と同じものは符号を同じにして説明を省略し、尿素水添加部上流側や脱硝触媒６下流側は第１の実施形態と同じであるため図７では省略する。
【００７４】
第４の実施形態では、尿素水噴射装置を２個もち、排気煙道３内に直接噴射する噴射装置１０と、分流させた排気ガスを流す分流管１５内に噴射する噴射装置１６を備える。分流管１５は、排気１を一部分流させ、尿素水を噴射装置１６から添加した後、ヒータ１７で加熱し、噴射した尿素水の気化を図り、加水分解触媒１８を通過させて尿素の加水分解反応を促進してアンモニアを生成する。
【００７５】
分流ガスとアンモニアが混ざった状態のガス１９は、主流の排気ガスを絞り２０で絞った箇所に合流させる。絞って合流させることは分流管１５と主流排ガスの圧力をバランスさせるために行い、主流排ガス流路より分流管１５の圧力損失が高くなる分、主流排ガス側の静圧を下げることで、分流管１５のガス流量が確保される。分流ガスと排ガスを混合させることでアンモニアを混合させた排ガスを脱硝触媒６に通過させ、ＮＯｘを除去する。
【００７６】
エンジンの排気ガスは、エンジン負荷によって温度が変化し、排気ガスの温度が高い時は、尿素水を直接噴射しても、排気ガス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、脱硝触媒に還元剤であるアンモニアがきちんと供給されるが、排気ガスの温度が低い時は、尿素水のアンモニア化が進まず、脱硝触媒での還元反応も十分には進まなくなる。このため、一般に排気ガスの温度が低い時はＮＯｘ低減率は悪化する。
【００７７】
この対策として、分流管を用い、ヒータ１７による加熱と加水分解触媒１８による反応促進の２つ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、排気ガスの温度が高い時は分流管の噴射装置１６を用いず、排気ガスに直接噴射する噴射装置１０のみを用いて尿素水を添加することで、ヒータ１７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、排ガス全体を加熱するのではなく、分流ガスのみを加熱することで、ヒータ１７で消費するエネルギーの低減を図っている。
【００７８】
また、分流ガス１９と主流排ガスを合流させるための絞り２０より上流側に、排ガスに直接噴射する噴射装置１０を配置することにより、直接噴射した尿素水がアンモニア化するための時間を確保できることから、ＮＯｘ低減率の向上に役立つこととなる。
【００７９】
「第５の実施形態」
図８は本発明の第５の実施形態に係る排気処理装置における尿素水添加部の具体的構成を示す外観図である。図９は第５の実施形態に関する尿素水添加部の具体的構成を示す正面図である。図１０は図９に示すＡ−Ａ線断面図である。図１１は図１０に示すＢ−Ｂ線断面図である。ここで、第４の実施形態と同じ機能のものは符号を同じにする。第５の実施形態では、排ガスに直接尿素水を添加するための噴射装置が正面図で見た場合の左斜め上から噴射している構造を示している。
【００８０】
斜め上からの噴射構造は、尿素水添加部の縦・横の寸法を考えた場合、噴射装置１０を正面図の真上から噴射するように配置すると尿素水添加装置としての縦の寸法が大きくなることから、斜めに配置することにより縦寸法の短縮化を図っている。このことにより、尿素水を用いた排気処理装置の車両搭載性を良くしている。噴射装置１０を斜めに配置したことにより、その噴霧を衝突させる多孔板１２，１３および平板１４も斜めに配置し、図９の正面図で見た場合、噴射方向の軸とこれらの板１２，１３，１４が垂直になるように配置する。
【００８１】
分流ガス流路１５は図９の分流ガス入口２７を起点として、尿素水噴射装置１６で尿素水を添加できるように分流排ガスを導いた後、図１１の断面図に示す矢印に従って分流ガスが流れる。ヒータ１７は分流ガス配管を加熱することで噴射装置１６で添加した尿素水を気化させる。これによる気化した尿素および水蒸気と分流ガスを加水分解触媒１８に通過させることで、尿素のアンモニア化を図る。これによりアンモニアを含んだ分流ガス１９は主流排ガス絞り流路２５にある複数の穴２８を出口として流出することで、主流排ガスとアンモニアを含んだ分流ガスが混合される。
【００８２】
すなわち、主流の排ガスは、多孔板１２，１３及び平板１４を通った後に絞り通路２５（図１１の図示例では３箇所）で絞られて旋回翼２６で旋回されて流れていく。一方、分流ガスは絞り２０の上流側で分流ガス入口２７で分流され加水分解処理されて穴２８を通って絞り通路２５で主流排ガスと合流されて混合される。この際のガスとガスの混合を促進するために、主流ガスを絞り２０で絞って３つの流路２５に通し、それぞれの流路に配置した旋回翼２６で排ガスに旋回を与え、その流れ場に分流ガスを流出させることで混合促進を図る。
【００８３】
噴射装置１０で噴射された尿素水は図１０の断面図に示す通り、多孔板１２，１３および平板１４に衝突して分散される。この尿素水と排ガスは絞り流路２５を通過することで一層混合が進み、そのことで排ガスから尿素水液滴に熱がよく伝わり、尿素の気化と加水分解が促進される。また、絞り流路２５には、噴射装置１０から噴射された尿素水が直線的に到達して流入する分もあるので、流入分が効率よく流入するように絞り流路を配置する。本実施形態では、絞り流路２５を３つの流路で構成しているが、これは１つでも、２つ以上であっても構わない。
【００８４】
「第６の実施形態」
図１２は本発明の第６の実施形態に係る排気処理装置の尿素水添加部の具体的構成を示す正面図である。図１３は図１２のＣ−Ｃ線断面図である。ここで、第５の実施形態と同じ部分は符号を同じにして説明を省略する。第６の実施形態では、多孔板３１，３２，３３を用いて噴射装置２１から噴射した尿素水噴霧２２の分散を図っている。また、噴射装置２１は図１３のＣ−Ｃ線断面図で見た場合、排ガスの流れに対して下流側に傾斜した方向に噴射している。
【００８５】
多孔板３１は薄板のパンチングプレートを半円筒形にして排気煙道３に取り付けており、半円筒形形状によって噴霧２２が、排気１の上流側に飛散するのを防止すると同時に、横方向へ広がりすぎて排気煙道３に液滴が付着することも防止している。多孔板３２は噴霧２２が図１３における下側の排気煙道に到達して付着するのを防止すると同時に、噴射装置２１から遠い側にある２つの絞り流路２５に噴霧を導く働きをなしている。多孔板３３は、絞り面２０に噴霧が直接に付着することを防止する。多孔板３３は絞り面２０より浮いていることから、多孔板３３の両面を排ガスが流れることが出来ることと、開口を持つことにより、絞り面２０に液滴が到達した場合よりも温度低下しにくく、液滴の付着を防ぐことが出来る。
【００８６】
このように、第６の実施形態では、多孔板の形状に特徴があって、半円筒形形状３１とし、その下方部を図示のように斜め形状３２とし、排ガスの流れ方向に垂直であって絞り通路より浮いた配置の板形状３３としている。
【００８７】
「第７の実施形態」
図１４は本発明の第７の実施形態に係る排気処理装置の尿素水添加部の具体的構成を示す正面図である。図１５は図１４のＤ−Ｄ線断面図である。ここで、第５の実施形態と同じ部分は符号を同じにして説明を省略する。
【００８８】
第７の実施形態では、絞り流路２５を２つにし、噴射装置３０を図１４の正面図における煙道３の中央に配置し、図１５のＤ−Ｄ線断面図で見た場合、噴射装置３０を排ガスの流れに対して上流側に傾斜した方向に噴射している。また、多孔板４１，４２を用いて噴射装置３０から噴射した尿素水噴霧３６の分散を図ると同時に、上流側に噴霧３６が行くことを防止している。
【００８９】
噴射装置３０を煙道３の中央に配置すると、装置全体の高さが高くなるが、噴射装置３０を傾斜して配置することで高さが抑えらると同時に、噴霧の移動距離が伸びて、尿素水の気化が進むことで、脱硝性能を向上させることが可能になる。
【００９０】
以上説明したように、本発明による尿素水を用いた排気処理装置は、ディーゼルエンジンの排気ガスに含まれるＮＯｘを除去することに有効であり、特に装置の小型化を必要とする車両用排気処理装置として使用することに適する。また、圧縮空気を用いた微粒化に頼らずに尿素水を排気ガス中に分散させることで、圧縮空気を使用できない環境でも尿素水を用いた排気処理に利用できる。
【００９１】
このように、本発明の種々の実施形態では、次に示すような構成を備えることによって、以下に示す諸々の機能又は作用を奏することができるものである。すなわち、尿素水の噴射装置から噴出する際の液滴の粒径が大きい場合、液滴の慣性力の強さから、液滴が排ガスの流れに乗らずに貫通し、煙道壁面に付着しやすい傾向にあるが、多孔板に衝突させることで、尿素水液滴を散らすことが可能になり、液滴の分散促進が図れる。この分散された尿素水液滴は、排ガスから熱を受けて気化し、さらに、気化した尿素と水蒸気により加水分解反応が起きることで、アンモニアが生成され、このアンモニアを、ＮＯｘを還元する際の還元剤として使用することから、尿素水液滴の分散促進はアンモニアの分散促進につながり、ＮＯｘの還元反応を促進することとなる。
【００９２】
同時に、多孔板もしくは煙道内面近傍に配置した板が、尿素水液滴の煙道壁面付着を防止することから、噴射する尿素水の慣性力が強くても煙道壁面に付着する心配がなくなり、噴射する際の液滴の速度を上げることで微粒化を図る方法を用いることが出来るようになり、圧縮空気を用いずに液滴の微粒化を図ることも可能になる。
【００９３】
また、液滴を衝突させる多孔板は、孔部を排ガスが通過できるため、排ガスの流れに対して大きな圧力損失にならずに済み、排ガスの流路を絞るなどしてアンモニアの分散を図る場合に比べて、小さな圧力損失で大きな分散促進の効果を得ることが可能になる。
【００９４】
さらに、板に尿素水液滴を衝突させる場合、板の表面温度によっては液滴が板に付着し、付着した尿素水が析出物となって板に付着したままになり、弊害を引き起こす可能性があるが、板を多孔板にし、かつ、多孔板の表裏両面を排ガスが流れることで尿素水液滴の付着を防止することが可能になる。これは、多孔板の表面温度を尿素水の沸点より十分高い温度に維持することで可能にするものであり、尿素水液滴が多孔板に衝突する際、尿素水が膜沸騰（ライデンフロスト沸騰とも称する）を起こすようにすることで、液滴と板の間に常に気相が存在し、液滴が多孔板に付着しなくなる。
【００９５】
この膜沸騰が成立するためには、板の表面温度が液の沸点に対して十分高い温度になっている必要があり、多孔板の表裏両面を排ガスが流れることは、排ガスから熱を受けやすくなり、多孔板の温度を高く維持することに役立つ。また、尿素水液滴が板に衝突する際、板から気化熱を奪うことで板の温度を下げようとする働きがあるが、板を多孔板にして、一部の液滴を板に当てずに通過させることにより、液滴の衝突による冷却効果を抑えることで、多孔板の温度を高く維持することが可能になる。
【００９６】
以上のことから、尿素水液滴を衝突させる板を多孔板にし、かつ、多孔板の表裏両面を排ガスが流れるようにすることで、尿素水液滴の付着を防止し、尿素の析出による弊害を防止することが可能になる。同時に、尿素水液滴が多孔板に衝突する際、多孔板から気化熱を受けることになるため、その熱で気化が進む分、液滴の微粒化が促進される。
【００９７】
また、上記の多孔板を排気ガスの流れに対して傾斜して配置することにより、排ガスが多孔板によく当ることで排ガスから熱を受けやすくなる。多孔板でない板がガスの流れに対して傾斜して配置されいる場合は、ガスの流れを大きく乱すことになり、圧力損失も大きくなりやすいが、多孔板の場合は孔部をガスが通り抜けることから、圧力損失が小さくて済む。なおかつ、多孔板の噴射液滴が衝突する側の面を排気ガスの下流側に向けて角度を付けて配置することで、多孔板に衝突した液滴は排ガスの流れの下流側に反射させることで、液滴が多孔板上に留まることを防止し、多孔板の温度低下を防止するとともに、液滴が排ガスの流れに速やかに乗ることで液滴の分散が促進される。
【００９８】
また、噴射液滴を分散させる多孔板を多段に配置することにより、上段の多孔板をすり抜けた液滴も、下段の多孔板に衝突させることが可能になり、多孔板単体の開口率を大きくしても、全体として液滴が多孔板に衝突する確率は高く維持される。多孔板単体の開口率を大きくすると、液滴のすり抜けが多くなることから、液滴の衝突による多孔板の温度低下が小さくなり、多孔板の温度が高く維持されることで、尿素水が付着して尿素を析出させてしまうことを防止することが可能になり、効率のよい排ガスの浄化処理が可能になる。
【００９９】
また、排気煙道内面近傍に表裏両面を排気ガスにさらされるようにした板を置くことにより、排気煙道は外側が大気にさらされているために排ガスより温度低下していて衝突した尿素水液滴が付着しやすい状態にあったものが、両面を排ガスにさらされた板は排ガスと同等の温度を維持できるために、尿素水液滴が衝突しても付着に至らずに済み、尿素水の壁面付着を防止できる。
【０１００】
また、尿素水の噴射を断続的に行うことにより、排気煙道内に配置した板に連続的に噴霧が衝突することがなくなり、噴霧の衝突箇所は、衝突が途切れた時間に、排ガスから熱を受けることができようになる。これにより、噴霧の衝突により低下した板の温度を回復させることができ、板を高温に保つことで尿素水が付着することを防止できる。さらに、断続的に噴射する際の単位時間あたりの噴射回数を調節することで、噴霧を排気煙道内に均一に分散させることができる。
【０１０１】
敷衍して説明すると、本発明の実施形態は次のような構成を備えることを特徴としている。すなわち、エンジンの排気煙道で尿素水を噴射する噴射装置と、排気ガスを流通させる脱硝触媒を備え、前記噴射装置で噴射した尿素水が加水分解反応を起こして生成されるアンモニアを用いて、排気ガス中の窒素酸化物を前記脱硝触媒上で還元反応させて浄化する排気処理装置において、前記噴射装置から噴射された尿素水液滴が前記排気煙道の壁面に到達するまでの空間に固体面を設け、この固体面に前記尿素水液滴を衝突させて、液滴の進行方向を変えることで排ガス中に尿素水液滴を散らすと同時に、前記固体面は前記排気ガスから熱を受けて高温を維持することで、前記尿素水が付着することを防止する。
【０１０２】
また、前記固体面を多孔板で形成し、尿素水の一部をすり抜けさせた上で液滴を多孔板表面に衝突させる。さらに、前記多孔板を、排気ガスの流れに対して傾斜させ、尿素水液滴が衝突する側の面を排気ガスの下流側に向けて配置する。さらに、前記多孔板を複数備え、１つの多孔板の孔部を通過した尿素水液滴が、他の多孔板に衝突可能になるように、多段の位置関係に多孔板を配置する。
【０１０３】
また、表裏両面を前記排気ガスにさらされるようにした板を前記排気煙道の内壁面近傍に設置し、噴射装置から噴射された尿素水液滴が直接、排気煙道の内壁面に衝突することがないようにする。さらに、尿素水の噴射を間欠的に行い、煙道内に配置した板に連続的に噴霧が当たり続けないようにすると同時に、噴射が途切れることで噴霧の貫通力が低下することを利用し、噴霧が均一に分散するように単位時間あたりの噴射回数を調節する。
【図面の簡単な説明】
【０１０４】
【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】本実施形態で用いる尿素水液滴が排気煙道に設けられた多孔板に衝突する際の液滴付着防止メカニズムを説明する図である。
【図３】本実施形態に関する尿素水噴射装置と多孔板の位置関係によって定まる尿素水噴霧の噴霧衝突密度を説明する図である。
【図４】本実施形態に関する尿素水噴霧が多孔板に衝突する際の現象について、噴霧衝突密度と排気ガス温度の関係で説明する図である。
【図５】本発明の第２の実施形態に係る排気処理装置における尿素水添加部の構成を示す図である。
【図６】本発明の第３の実施形態に係る排気処理装置における尿素水添加部の構成を示す図である。
【図７】本発明の第４の実施形態に係る排気処理装置における尿素水添加部の構成を示す図である。
【図８】本発明の第５の実施形態に係る排気処理装置における尿素水添加部の具体的構成を示す外観図である。
【図９】第５の実施形態に関する尿素水添加部の具体的構成を示す正面図である。
【図１０】図９に示すＡ−Ａ線断面図である。
【図１１】図１０に示すＢ−Ｂ線断面図である。
【図１２】本発明の第６の実施形態に係る排気処理装置における尿素水添加部の構成を示す図である。
【図１３】図１２に示すＣ−Ｃ線断面図である。
【図１４】本発明の第７の実施形態に係る排気処理装置における尿素水添加部の構成を示す図である。
【図１５】図１４に示すＤ−Ｄ線断面図である。
【符号の説明】
【０１０５】
１，２  排気ガス
３  排気煙道
４  酸化触媒
５  フィルタ
６  脱硝触媒
７  アンモニア処理触媒
８  尿素水タンク
９  ポンプ
１０，１６  尿素水噴射装置
１１  尿素水噴霧
１２，１３，２３，２４  多孔板
１４  平板
１５  分流ガス流路
１７  ヒータ
１８  加水分解触媒
２０  絞り
２５  主流排ガス絞り流路
２６  旋回翼
２７  分流ガス入口
２８  分流ガス出口
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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