(57)【要約】【課題】  尿素水を充分に微粒化して排気ガス中に噴出されるさせることができる尿素水ノズル装置を提供すること。【解決手段】  エンジンの排気ガス中に尿素水を噴出する尿素水ノズル装置３０であって、排気ガスが流れる排気管に取り付けられるノズル本体５２を備え、ノズル本体５２の先端噴出部３１は排気管内に突出し、先端噴出部には３重の噴出口５４，５６，５８が同心状に設けられている。径方向内側及び外側の噴出口５４，５６は圧縮空気を噴出する空気用噴出口として用いられ、これら噴出口５４，５８の間の中間噴出口５６は尿素水を噴出する尿素水用噴出口として用いられ、中間噴出口５６から噴出する尿素水に径方向内側及び外側から圧縮空気が作用して尿素水の霧化が行われる。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンの排気ガス中に尿素水を噴出する尿素水ノズル装置であって、排気ガスが流れる排気管に取り付けられるノズル本体を備え、前記ノズル本体の先端噴出部は前記排気管内に突出し、前記先端噴出部には少なくとも３重の噴出口が同心状に設けられ、前記噴出口は空気を噴出する空気用噴出口と尿素水を噴出する尿素水用噴出口とが交互に配設されていることを特徴とする尿素水ノズル装置。
【請求項２】
前記ノズル本体の先端噴出部には３重の噴出口が同心状に設けられ、前記空気用噴出口は径方向内側及び外側に配設され、前記尿素水用噴出口は内側空気用噴出口と外側空気用噴出口との間に配設されていることを特徴とする請求項１に記載の尿素水ノズル装置。
【請求項３】
前記ノズル本体の前記内側空気用噴出口に空気を送給するための第１空気流路の流路断面積と前記外側空気用噴出口に空気を送給するための第２空気流路の流路断面積は実質上等しく、空気供給源から供給される空気は、前記第１及び第２空気流路を通して前記内側及び外側空気用噴出口に実質上均等に配分して送給されることを特徴とする請求項２に記載の尿素水ノズル装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エンジンの排気ガス中に尿素水を噴出する尿素水ノズル装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
エンジン（コージェネレーションシステム用ガスエンジン、車両用ディーゼルエンジンなど）の排気ガスにはＮＯｘ（窒素酸化物）が含まれており、この排気ガスのＮＯｘの排出量を規制値内に抑えるために、エンジンの排気系に簡易脱硝装置を設けたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。この簡易脱硝装置は、エンジンの排気系に配設された尿素水ノズル装置及びＮＯｘ触媒を備えており、尿素水ノズル装置から排気ガス中に尿素水が噴出され、かく噴出された尿素水が排気ガス中で分解してアンモニアが生成され、このアンモニアと排気ガス中のＮＯｘとをＮＯｘ触媒で反応させてＮＯＸの排出量を抑えている。
【０００３】
この尿素水噴射ノズル装置として、例えば、図３に示すものが用いられている。従来の尿素水噴射ノズルの一例を示す図３において、図示の尿素水ノズル装置２は、エンジンの排気管（図示せず）に取り付けられるノズル本体４を備え、このノズル本体４の中心部に尿素水流路６が設けられ、この尿素水流路６の外周側に空気流路８が設けられている。このノズル本体４の先端噴出部１０には、その中央部に尿素水用噴出口１２が、この尿素水用噴出口１２の周囲に空気用噴出口１４が同心状に設けられている。尿素水流路６は尿素水用噴出口１２に連通され、尿素水供給源（図示せず）から尿素水流路６を通して供給される尿素水は尿素水用噴出口１２から噴出され、また空気流路８は空気用噴出口１４に連通され、空気供給源（図示せず）から空気流路８を通して供給される圧縮空気は空気用噴出口１４から噴出され、空気用噴出口１４から噴出される圧縮空気の作用によって、尿素水用噴出口１２から噴出される尿素水が霧化されて気化し、気化した尿素水を含む排気ガスがＮＯｘ触媒に送給され、このＮＯｘ触媒にてアンモニアと排気ガス中のＮＯｘガスとが反応する。
【０００４】
【特許文献１】特開平９−１５００３８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
このような簡易脱硝装置では、尿素水ノズル装置の下流側のＮＯｘ触媒が配設されるが、ＮＯｘ触媒での排気ガス中のＮＯｘとアンモニアとの反応を促進するためには、尿素水噴射ノズル装置２の尿素水用噴出口１２から噴出された尿素水が気化された後に排気ガスと混合された状態にてＮｏｘ触媒に導入される必要がある。そのために、従来の簡易脱硝装置においては、尿素水ノズル装置からＮｏｘ触媒までの間に一定距離の直線状配管が設けられ、この直線状配管を流れる間に尿素水用噴出口１２から噴出された尿素水が気化されて排気ガスに所要の通りに混合されるようになっている。
【０００６】
しかしながら、エンジンの排気系に適用する場合、設置スペースの都合上、尿素水ノズル装置２の下流側に所定長さの直線状配管を設置するようなレイアウトを採用することが困難なことがある。また、エンジンの排気系の配管コストは、配管長さに応じて増加するために、所定長さの直線状配管を設けるために配管レイアウトが複雑になると、配管構造が複雑になるとともに、配管コストが高くなる。このようなことから、尿素水ノズル装置２から噴出される尿素水の微粒化を図り、気化に要する時間を短くすることができる尿素水ノズル装置の実現が望まれていた。
【０００７】
また、この尿素水ノズル装置２は、エンジンの排ガス中に常温の尿素水を噴出するが、エンジンからの排気ガスの温度は４００〜５００℃と高温状態にあるために、尿素水ノズル装置２から噴出された尿素水が充分に気化されずにその液滴が配管に付着すると、配管割れなどの問題が発生する。
【０００８】
本発明の目的は、尿素水を充分に微粒化して排気ガス中に噴出されるさせることができる尿素水ノズル装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の請求項１に記載の尿素水ノズル装置は、エンジンの排気ガス中に尿素水を噴出する尿素水ノズル装置であって、排気ガスが流れる排気管に取り付けられるノズル本体を備え、前記ノズル本体の先端噴出部は前記排気管内に突出し、前記先端噴出部には少なくとも３重の噴出口が同心状に設けられ、前記噴出口は空気を噴出する空気用噴出口と尿素水を噴出する尿素水用噴出口とが交互に配設されていることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明の請求項２に記載の尿素水ノズル装置では、前記ノズル本体の先端噴出部には３重の噴出口が同心状に設けられ、前記空気用噴出口は径方向内側及び外側に配設され、前記尿素水用噴出口は内側空気用噴出口と外側空気用噴出口との間に配設されていることを特徴とする。
【００１１】
更に、本発明の請求項３に記載の尿素水ノズル装置では、前記ノズル本体の前記内側空気用噴出口に空気を送給するための第１空気流路の流路断面積と前記外側空気用噴出口に空気を送給するための第２空気流路の流路断面積は実質上等しく、空気供給源から供給される空気は、前記第１及び第２空気流路を通して前記内側及び外側空気用噴出口に実質上均等に配分して送給されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の請求項１に記載の尿素水ノズル装置によれば、ノズル本体の先端噴出部には少なくとも３重の噴出口が同心状に配設され、これら噴出口は尿素水を噴出する尿素水用噴出口と空気を噴出する空気用噴出口とが交互に配設されているので、空気用噴出口から噴出された空気が尿素水用噴出口から噴出された尿素水に効果的に作用して霧化し、その気化を促進することができる。その結果、尿素水の気化、混合に必要な排気系の直線状配管の長さを短くすることができ、これによって、排気系のレイアウトを簡単に、また配管コストを下げることができ、更に配管への液滴をも少なく抑えることができる。
【００１３】
また、本発明の請求項２に記載の尿素水ノズル装置によれば、ノズル本体の先端噴出部に３重の噴出口が設けられ、空気用噴出口が内側及び外側に配設され、尿素用噴出口がこれら空気用噴出口の間に配設されているので、尿素用噴出口から噴出する尿素水には径方向内側からは内側空気用噴出口から噴出される空気が作用し、また径方向外側からは外側空気用噴出口から噴出される空気が作用し、径方向両側から作用する空気によって尿素水を効果的に霧化させて短時間に気化させることができ、また液滴の発生もより少なくすることができる。
【００１４】
更に、本発明の請求項３に記載の尿素水ノズル装置によれば、第１空気流路の流路断面積と第２空気流路の流路断面積とが実質上等しいので、空気供給源から供給される空気は第１及び第２空気流路に実質上均等に配分されて内側及び外側空気噴出口に送給され、これによって、尿素水噴出口から噴出される尿素水には径方向内側及び外側からほぼ同量の空気が作用し、かくして尿素水噴出口からの尿素水をより効率よく霧化し、短時間に気化することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、図１及び図２を参照して、本発明に従う尿素水ノズル装置の一実施形態について説明する。図１は、一実施形態の尿素水ノズル装置を装備したエンジンの排気系を簡略的に示す図であり、図２は、図１の尿素水ノズル装置の一部を示す部分断面図である。
【００１６】
図１において、コージェネレーションシステムのガスエンジンの如きエンジン２２の排気系２４に簡易脱硝装置２６が配設され、この簡易脱硝装置２６は、エンジン２２の排気系２４の排気管２８に取り付けられた尿素水ノズル装置３０と、この尿素水ノズル装置３０の下流側に配設されたＮＯｘ触媒３２とを備えており、尿素水ノズル装置３０の先端噴出部３１が排気管２８内に突出している。尿素水ノズル装置３０は、尿素タンクの如き尿素供給源３２に接続されているとともに、コンプレッサの如き空気供給源３４に接続されており、後述する如く、尿素供給源３２からの尿素水は尿素水送給流路３６を通して尿素水ノズル装置３０に供給されるとともに、空気供給源３４からの圧縮空気が空気送給流路３８を通して尿素水ノズル装置３０に送給される。また、ＮＯｘ触媒３２は、排気管２８によって規定される排気流路４０に配設され、尿素水ノズル装置３０の取付部位より所定距離、例えば０．８〜１．３ｍ程度下流側に配設される。尚、尿素水ノズル装置３０については、後に詳述する。
【００１７】
この簡易脱硝装置２６を装備したエンジン２２においては、次のようにして排気ガス中のＮＯｘの濃度が低減される。即ち、エンジン２２からの排気ガスは、矢印４２で示すように排気流路４０を通して外部に排出される。尿素水ノズル装置３０は、排気流路４０を流れる排気ガスに向けて圧縮空気とともに尿素水を噴出し、尿素水ノズル装置３０から噴出される尿素水が圧縮空気によって霧化され、Ｎｏｘ触媒３２に向けて下流側に流れる間に気化され、気化した尿素水を含む排気ガスがＮＯｘ触媒３２に送給される。ＮＯｘ触媒３２では、尿素水の分解により生成されるアンモニアと排気ガス中のＮＯｘガスとが反応し、かかる反応によって排気ガス中のＮＯｘが少なくなり、ＮＯｘ濃度が低減した排気ガスが外部に排出される。
【００１８】
次に、図２を参照して、この簡易脱硝装置２６の尿素水ノズル装置３０について説明する。尿素水ノズル装置３０は、排気管２８に取り付けられるノズル本体５２を備えており、このノズル本体５２の先端噴出部３１が排気管２８を貫通して排気流路４２に位置している。この先端噴出部３１の先端面には、三つの噴出口５４，５６，５８が同心状に設けられ、この実施形態では、内側の噴出口５４及び外側の噴出口５８が圧縮空気が噴出する空気用噴出口として機能し、内側及び外側の両噴出口５４，５８の間に位置する中間噴出口５６が尿素水が噴出する尿素水用噴出口として機能する。
【００１９】
上述したように噴出口５４，５６，５８が設けられていること関連して、ノズル本体５２内には、細長い内側スリーブ６０が設けられ、この内側スリーブ６０の先端部に接続部材６２が設けられ、この接続部材６２に内側ノズル６４が取り付けられている。内側スリーブ６０は径方向内側に第１空気流路６６を規定し、内側ノズル６４の先端部（径方向内側の円形状開口）に内側噴出口５４が規定され、第１空気流路６６が内側ノズル６４を通して内側噴出口５４に連通している。
【００２０】
また、内側スリーブ６０、接続部材６２及び内側ノズル６４の径方向外側には、中間スリーブ６８及び中間ノズル７０が配設されている。中間スリーブ６８は径方向内側の内側スリーブ６０との間に環状の尿素水流路７２を規定し、また中間ノズル７０の先端部（中間ノズル７０と内側ノズル６４との間の環状開口）に中間噴出口５６が規定され、尿素水流路７２が中間ノズル７０の径方向内側を通して中間噴出口５６に連通している。尚、この形態では、中間ノズル７０は接続部材６２の外周面に接するように装着され、この中間ノズル７０の接触部材６２と接する内周面には、周方向に間隔をおいて複数の連通孔７４が設けられ、かかる連通孔７４を通して尿素水流路７２と中間噴出口５６とが連通されている。
【００２１】
更に、中間スリーブ６８及び中間ノズル７０の径方向外側には、外側スリーブ７６及び外側ノズル７８が配設されている。外側スリーブ７６は径方向内側の中間スリーブ６８との間に環状の第２空気流路８０を規定し、また外側ノズル７８の先端部（外側ノズル７８と中間ノズル７０との間の環状開口）に外側噴出口５８が規定され、第２空気流路８０が外側ノズル７８の径方向内側を通して外側噴出口５８に連通している。尚、この形態では、外側ノズル７８は中間ノズル７０の外周面に接するように装着され、この外側ノズル７８の中間ノズル７０と接する内周面には、周方向に間隔をおいて複数の連通孔８２が設けられ、かかる連通孔８２を通して第２空気流路８０と外側噴出口５８とが連通されている。
【００２２】
ノズル本体５２の第１及び第２空気流路６６，８０は、空気送給流路３８を介して空気供給源３４（図１参照）に接続され、その尿素水流路７２は尿素水流路３６を介して尿素水供給源３２（図１参照）に接続されている。
【００２３】
上述した尿素水ノズル装置３０においては、尿素水供給源３２から尿素水送給流路３６を通して送給される尿素水は、ノズル本体５２内の尿素水流路８０及び連通孔７４を通して中間噴出口５６に供給され、この中間噴出口５６から排気流路４０を流れる排気ガスに向けて噴出される。また、空気供給源３４から空気送給流路３８を通して送給される圧縮空気は、ノズル本体５２内の第１空気流路６６を通して内側噴出口５４に供給されるとともに、その第２空気流路８０及び連通孔８２を通して外側噴出口５８に供給され、これら内側及び外側噴出口５４，５８から排気ガスに向けて噴出される。このとき、内側噴出口５４から噴出される圧縮空気の噴出量と外側噴出口５８から噴出される圧縮空気の噴出量がほぼ等しくなるように、第１空気流路６６の一部の流路断面積と第２空気流路８０の一部の流路断面積とが実質上等しくなるように構成するのが好ましい。
【００２４】
このように尿素水及び圧縮空気が噴出するので、中間噴出口５６から噴出する尿素水に、内側噴出口５４から噴出する圧縮空気が径方向内側から、また外側噴出口５８から噴出する圧縮空気が径方向外側から外側から作用するので、噴出する尿素水に対する圧縮空気による霧化が効果的に行われ、これによって尿素水の気化が促進される。そして、気化した尿素水を含む排気ガスが矢印４２で示す方向にＮＯｘ触媒３２に流れ、ＮＯｘ触媒３２にて上述したように処理される。
【００２５】
上述した実施形態では、尿素水及び圧縮空気を噴出する噴出口５４，５６，５８を径方向に同心状に３重に設けているが、これに限定されず、これら噴出口を径方向に同心状に４重以上設けるようにしてよく、この場合、圧縮空気によって尿素水の霧化、気化を促進するために、尿素水を噴出する尿素水用噴出口と空気（圧縮空気）を噴出する空気用噴出口とを径方向に交互に配設することが重要である。
【００２６】
また、上述した実施形態では、空気送給路３８を通して送給される圧縮空気を第１及び第２空気流路６６，８０に分配して内側及び外側噴出口５４，５８に供給しているが、このような構成に代えて、空気供給源３４からの圧縮空気を第１空気送給流路を介してノズル本体５２の第１空気流路６６に送給するとともに、第１空気送給流路と別個の第２空気送給流路を介してノズル本体５２の第２空気流路８０に送給するようにしてもよい。
【実施例】
【００２７】
本発明に従う尿素水ノズル装置の効果を確認するために、次の通りの評価実験を行った。実施例１として図２に示す形態の尿素水ノズル装置を用い、この尿素水ノズル装置を５００ｋＷクラスのコージェネレーションシステムに採用されたガスエンジンの排気管に取り付け、その取付位置を排気管内のＮＯｘ触媒の配設部位の上流側３．０ｍとし、このように取り付けた尿素水ノズル装置からガスエンジンの排気ガスに向けて尿素水を噴霧した。第１空気流路の流路断面積と第２空気流路の流路断面積とが実質上等しくなるように設定し（内側スリーブ及び外側スリーブの内径を設定する）、内側及び外側噴出口から圧縮空気を噴出させ、また中間噴出口から尿素水を噴出させた。ガスエンジンの排気管は直径４００ｍｍで、ガスエンジンからの排気ガスの流量は３５００ｍ３／ｈで、この排気ガスの温度が５００℃で、この排気ガス中に含まれたＮＯｘの濃度は３００ｐｐｍであった。
【００２８】
評価実験においては、尿素水ノズル装置の中間噴出口から５０ｃｃ／ｍｉｎの割合で尿素水を噴出させ、その内側及び外側噴出口から５気圧の圧縮空気を噴出させて、尿素水を霧化させ、このような運転状態における液滴の有無及びＮＯｘ触媒通過後の排気ガス中のＮＯｘ濃度を計測した。尚、液滴については、排気管中にレーザーシートを照射して行った。
【００２９】
比較例として、実施例１の尿素水ノズル装置に代えて、図３に示す従来の尿素水ノズル装置を用い、この尿素水ノズル装置を実施例１と同様のコージェネレーションシステムのガスエンジンの排気管に取り付け、実施例１と同様の条件でガスエンジンを運転し、実施例１と同様の条件で尿素水ノズル装置の内側噴出口から尿素水を噴出させ、その外側噴出口から圧縮空気を噴出させ、このような運転状態における液的の有無及びＮＯｘ触媒通過後の排ガス中のＮｏｘ濃度を測定した。
【００３０】
実施例１及び比較例の評価実験の結果は表１に示す通りであった。表１に示す通り、比較例では尿素水ノズル装置の先端噴出部から１５０ｍｍ下流まで液滴による散乱光が観察されたが、実施例１では、尿素水ノズル装置の先端噴出部から１００ｍｍ下流までしか液滴による散乱光が観察されず、実施例１の方が噴出した尿素水の霧化が促進され、気化に要する時間が短縮されることが確認できた。また、比較例においては、ＮＯｘ触媒通過後の排気ガス中のＮＯｘ濃度が１５０ｐｐｍであったのに対し、実施例１においては、Ｎｏｘ触媒通過後の排気ガス中のＮＯｘ濃度が１２０ｐｐｍであった。この結果から、排気ガス中に添加する尿素水の気化を促進することによって、気化された尿素水と排気ガスとの混合も促進され、ＮＯｘ触媒中での脱硝能力が向上することも確認できた。
【００３１】
【表１】
2007040118.tif 000003
実施例２として、実施例１と同様の形態の尿素水ノズル装置を用い、この尿素水ノズル装置を５００ｋＷクラスのコージェネレーションシステムに採用されたガスエンジンの排気管に取り付け、その取付位置を変化させながら排気ガス中のＮＯｘ濃度が１５０ｐｐｍとなるときのその取付位置を計測した。この実施例２においても、実施例１と同様の条件でガスエンジンを運転し、実施例１と同様の条件で尿素水ノズル装置の中間噴出口から尿素水を噴出させ、その外側及び内側噴出口から圧縮空気を噴出させ、このような運転状態において従来の尿素水ノズル装置を用いたときのＮＯｘ濃度（１５０ｐｐｍ）と等しい値となる取付位置を計測した。
【００３２】
この実施例２の測定結果は、表１に示すように、ＮＯｘ触媒の配設部位の上流側１．５ｍの位置であった。このことから、排ガス中のＮＯｘ濃度が３００ｐｐｍである条件においては、その濃度が１５０ｐｐｍまで脱硝できる直線状配管の長さは１．５ｍまで短縮できることが判明した。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明に従う一実施形態の尿素水ノズル装置を装備したエンジンの排気系を簡略的に示す図。
【図２】図１の尿素水ノズル装置の一部を示す部分断面図。
【図３】従来の尿素水ノズル装置の一部を示す部分断面図。
【符号の説明】
【００３４】
２２  エンジン
２４  排気系
２６  簡易脱硝装置
２８  排気管
３０  尿素水ノズル装置
３１  先端噴出部
３２  ＮＯｘ触媒
５２  ノズル本体
５４，５８  空気用噴出口（内側噴出口、外側噴出口）
５６  尿素水用噴出口（中間噴出口）
【図１】
2007040118.tif 000004
【図２】
2007040118.tif 000005
【図３】
2007040118.tif 000006