CN102597479B - 废气处理装置 - Google Patents

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Abstract

本发明目的是在使用EGR系统将具备增压器的柴油发动机的废气中的NOX除去时，能够增大循环到吸气管的废气量而提高NOX减少效果，并抑制动力消耗量，实现节省能源、CO2削减。在船舶用柴油发动机(10A)的排气管(16)设有使废气(e)的一部分向吸气集合管(13)返回的EGR管路(32)。在EGR管路(32)上插入设置有EGR阀(34)、EGR洗涤器(36)、EGR鼓风机(38)。在增压器(20)的传递轴(26)设有发电机(40)，将由发电机(40)产生的电力经由导电线(42)送往EGR鼓风机(38)的驱动电动机(39)，驱动该驱动电动机(39)。在涡轮(22)的下游侧排气管(28)设置SCR催化剂转换器(28)，将废气(e)中的NOX除去。

Description

废气处理装置
技术领域
本发明涉及一种适宜的废气处理装置，其适用于减少设有增压器的柴油发动机、尤其是船舶用柴油发动机的废气中的NOX量。
背景技术
柴油发动机相比汽油发动机，燃料利用率优异，因此在输送领域等广泛地利用于船舶、机动车等。然而，废气中含有的未燃烧燃料等粒子状物质(PM；Paticulate Matter)或作为氮氧化物已知的NOX(NO、NO2等)等成为问题。因此，作为用于从废气除去该NOX的手段，已知有利用通过尿素水的水解而得到的氨气，在催化剂上将废气中含有的NOX还原而除去的方法。该方法已知作为SCR(Selective Catalytic Reduction；选择性还原催化剂)系统。
在专利文献1中公开有该SCR系统。该SCR系统在排气路径中的前段侧，将柴油发动机的废气中的PM和气体状的烃成分去除之后，在设置在废气路径的后段侧的SCR催化剂上使氨气与NOX反应，由此对NOX进行还原而转换成氮和水。
图7示意性地表示船舶用柴油发动机100的吸排气装置。在图7中，在气缸102的气缸盖102a的内部设有排气阀104，在气缸盖102a连接有排气管106。在排气管106设有增压器110的涡轮112，涡轮112通过从气缸盖102a排出的废气e被驱动旋转。增压器110的压缩机114经由传递轴116与涡轮112一体连接，并与涡轮112一起旋转。
压缩机114旋转而取入被压缩空气a，对被压缩空气a进行压缩。由压缩机114压缩后的空气在由中间冷却器108冷却之后，经由吸气集合管113向气缸12供给。燃料(例如C重油等)与压缩空气一起向气缸102喷射，利用由未图示的活塞压缩而产生的压缩热来点火，驱动该活塞。需要说明的是，图7中的温度值表示排气管106或118的废气温度。
构成所述SCR系统的内置有SCR催化剂的SCR催化剂转换器通常设置在涡轮112的下游侧的排气管118。
将SCR催化剂转换器设置于涡轮下游侧排气管118时，流入到SCR催化剂转换器28的废气的温度降低为250℃左右，未达到SCR催化剂能够正常发挥催化剂功能的温度即320℃左右。因此，存在SCR催化剂无法正常地发挥催化剂功能的问题。
为了消除这种情况，考虑在具有400℃左右的废气温度的涡轮上游侧的排气管106上配置SCR催化剂转换器的情况。然而，将SCR催化剂转换器设置于排气管106时，热容量大的SCR催化剂夺走应向涡轮112供给的热量，因此船舶用柴油发动机100的过渡特性可能变差。
因此，在机动车的内燃机或船用柴油发动机等中，作为其他的NOX减少手段，进行废气再循环(EGR；Exhaust Gas Recirculation)方式。该方法使废气的一部分(EGR气体)从排气侧分支而返回到吸气侧，利用返回到吸气侧的废气来抑制气缸内的燃烧，降低燃烧温度，由此来减少NOX的产生。在该EGR系统中，为了将废气顺畅地导入气缸或吸气路径，而需要使废气压比气缸内或吸气路径内的吸气压稍高(升压)。
在专利文献2中公开有用于使该EGR气体朝向吸气管良好地再循环的手段。专利文献2所公开的手段是在具备增压器和EGR系统的机动车的内燃机等中，在增压器附设了与该增压器的涡轮共有旋转轴的发电机。该发电机的工作成为阻力而对该旋转轴施加制动(制动转矩)。由此，使涡轮侧的废气通气阻力增大，从而提高涡轮上游侧的排气歧管中的排气压力，使得向吸气管的废气的再循环良好。
在专利文献3公开有一种手段：在具备EGR系统的带增压器的内燃机中，在使EGR气体向吸气管循环的循环管上设置气体压缩机等鼓风机构，通过该鼓风机构对流过循环路的EGR气体进行加压输送，使EGR气体的循环量增大。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2009-209896号公报
专利文献2：日本特开2002-266649号公报
专利文献3：日本特开2005-188359号公报
发明内容
在专利文献2公开的EGR系统中，依赖于发电机产生的制动(制动转矩)效果，因此几乎无法期待向吸气管循环的废气的压力增大。而且，存在发电机的制动效果使废气对涡轮的驱动效率下降的问题。
专利文献3公开的EGR系统需要对气体压缩机等鼓风机构进行驱动的动力，与要求节省能源及削减CO2的最近的趋势相反。
本发明鉴于上述现有技术的课题，其目的是在使用EGR系统将具备增压器的柴油发动机的废气中的NOX除去时，能够增大向吸气管循环的废气量而提高NOX减少效果，并抑制动力消耗量，实现节省能源、削减CO2。
为了实现上述目的，本发明的废气处理装置具备使设有增压器的柴油发动机的废气的一部分循环到吸气路径的循环路，经由该循环路使废气的一部分循环到吸气路径，降低燃烧温度而抑制NOX的产生，所述废气处理装置中，具备：插入设置于所述循环路的鼓风机；及与增压器的动力传递轴连接并从该动力传递轴得到动力的动力取出装置，所述增压器的动力传递轴将压缩机和涡轮连结，构成为利用由该动力取出装置取出的动力驱动所述鼓风机，使向所述吸气路径供给的废气的压力高于吸气压。
在本发明装置中，在使废气的一部分循环到吸气路径的循环路上设置鼓风机，通过所述动力取出装置来驱动该鼓风机，因此能够容易地提高向吸气路径供给的废气的压力。因此，能够将废气以设定量可靠地向吸气路径供给，因此能够可靠地利用EGR系统实现NOX减少。
另外，由于从增压器得到驱动该鼓风机的动力，因此不需要用于驱动该鼓风机的特别的驱动装置。因此，能够有助于节省能源及CO2削减。
在本发明装置中，动力取出装置是发电机，利用由该发电机得到的电力来驱动鼓风机。由此，能够将由该发电机得到的电力通过导电线向鼓风机的驱动电动机供给，因此能够使动力传递机构简化且为低成本，并且能够减少传递中途的动力损失。
在本发明装置中，动力取出装置是将增压器的动力传递轴的旋转向鼓风机的驱动轴传递而驱动该驱动轴的机械性动力传递机构。如此，例如使用齿轮或旋转轴等机械性动力传递机构将动力传递轴的旋转向鼓风机传递，由此能够可靠地将动力传递轴的旋转向鼓风机的驱动轴传递。而且，使增速装置、减速装置插入于机械性动力传递机构，容易使鼓风机增速或减速，因此容易调整返回到废气路径的废气量。
在本发明装置中，预先作成相关映射，该相关映射表示柴油发动机的负荷、对应于该负荷而需要的废气循环量、对应于该废气循环量的鼓风机驱动速度之间的相关，在本发明装置具备基于该相关映射来控制鼓风机驱动速度的控制器。由此，能够对应于柴油发动机的负荷，选择为了减少废气中的NOX量而最适合的鼓风机驱动速度。
在本发明装置中，柴油发动机是船舶用柴油发动机，具备对搭载有该船舶用柴油发动机的船舶的航行位置进行计测的位置计测装置，所述废气处理装置构成为在通过该位置计测装置检测到该船舶进入了废气限制海域时，通过所述控制器来控制鼓风机驱动速度。
由此，当船舶在废气限制海域中航行时，能够进行满足废气限制海域的废气限制值的运转。
在本发明装置中，在增压器的涡轮下游侧废气路径上设置内置有选择性还原催化剂的催化剂转换器，将通过该下游侧废气路径的废气中的NOX除去。如此，通过同时使用EGR系统和SCR系统，能够将废气中的NOX排出量减少为极其微量。
发明效果
根据本发明装置，废气处理装置具备使设有增压器的柴油发动机的废气的一部分循环到吸气路径的循环路，经由该循环路使废气的一部分循环到吸气路径，降低燃烧温度而抑制NOX的产生，废气处理装置中，具备：插入设置于循环路的鼓风机；与将压缩机和涡轮连结的增压器的动力传递轴连接并从该动力传递轴得到动力的动力取出装置，利用由该动力取出装置取出的动力驱动鼓风机，使向吸气路径供给的废气的压力高于吸气压，因此能够容易地提高向吸气路径供给的废气的压力，因此，能够可靠地将废气向吸气路径供给，因此能够可靠地利用EGR系统实现NOX减少。
另外，由于从增压器得到驱动该鼓风机的动力，因此不需要用于驱动该鼓风机的特别的驱动装置，因此，能够有助于节省能源及CO2削减。
附图说明
图1是表示本发明装置的第一实施方式的船舶用柴油发动机的排气系统的系统图。
图2是表示本发明装置的第二实施方式的船舶用柴油发动机的排气系统的系统图。
图3是表示本发明装置的第三实施方式的船舶用柴油发动机的排气系统的系统图。
图4是表示所述第三实施方式的操作步骤的流程图。
图5是表示在所述第三实施方式中预先作成的发动机负荷与EGR率的相关的相关映射。
图6是表示在所述第三实施方式中预先作成的发动机负荷与鼓风机必要电力的相关的相关映射。
图7是表示船舶用柴油发动机的废气系统的说明图。
具体实施方式
以下，使用图示的实施方式详细说明本发明。但是，该实施方式所记载的结构部件的尺寸、材质、形状、其相对配置等只要没有特别确定的记载，本发明的范围就不仅仅限定于此。
(实施方式1)
通过图1来说明将本发明适用于船舶用柴油发动机的第一实施方式。在图1所示的本实施方式的船舶用柴油发动机10A中，在气缸12的气缸盖12a的内侧设置排气阀14，在气缸盖12a连接有排气管16。在排气管16设有构成增压器20的涡轮22。涡轮22通过从气缸盖12a排出的废气e而被驱动旋转。增压器20的压缩机24经由传递轴26而和涡轮22一体连接，与涡轮22一起旋转。
通过废气e使涡轮22旋转时，压缩机24旋转而将被压缩空气a取入，将被压缩空气a压缩。由压缩机24压缩后的空气在通过中间冷却器18冷却之后，经由吸气集合管13向气缸12供给。燃料(例如C重油等)与压缩空气一起向气缸12喷射。喷射出的压缩空气和燃料通过由未图示的活塞压缩而产生的压缩热来点火，驱动该活塞。在涡轮22的下游侧排气管28上设有内置有SCR催化剂的SCR催化剂转换器30。
在气缸盖12a设有使废气e的一部分从排气管16分支而返回到气缸12的EGR管路32。从废气e局部分支的废气(EGR气体E)流向EGR管路32。在EGR管路32上，从上游侧依次设有EGR阀34、从EGR气体E除去PM的EGR洗涤器36、将废气E强制性地加压输送到气缸12的EGR鼓风机38。EGR洗涤器36具有现有公知的结构。
增压器20中，在将涡轮22和压缩机24一体连结的传递轴26上连接有发电机40，通过传递轴26的旋转而在发电机40中产生电力。产生的电力经由导电线42送往鼓风机36的驱动电动机39，从而驱动该驱动电动机39。
在上述结构中，分支到EGR管路32的EGR气体E通过EGR洗涤器36除去混入的PM，利用EGR鼓风机38进行加压输送，返回到气缸12内。由此，能够抑制气缸12内的燃烧，降低燃烧温度，从而能够减少NOX的产生。
从气缸12排出的废气e到达排气管28。在排气管28中，对尿素水溶液或氨水溶液等还原剂水溶液r进行喷雾。所述还原剂水溶液r通过废气e的保有热量而蒸发，其中，尿素水溶液被水解成氨气。到达了SCR催化剂转换器30的废气e在内置于SCR催化剂转换器30的SCR催化剂上与氨气反应而被还原，被转换成氮和水。如此，将除去了NOX后的废气e向外部排出。
根据本实施方式，通过EGR鼓风机38将分支到EGR管路32的EGR气体E加压输送至气缸12，因此能够使EGR气体E的压力高于气缸12内的压力。因此，能够将EGR气体E以设定了的量可靠地供给到气缸12内，由此，能够降低气缸12内的燃烧温度，减少NOX的产生。
另外，由于利用由发电机40产生的电力对EGR鼓风机38的驱动电动机39进行驱动，因此不需要特别的驱动装置。因此，能够实现节省能源，从而能够抑制CO2的产生。
另外，将通过发电机40得到的电力向驱动电动机39传递的机构可以是仅使用导电线42的简单的结构，因此能够使动力传递机构简化且为低成本，并且能够减少传递中途的动力损失。
(实施方式2)
接着，通过图2来说明本发明装置的第二实施方式。在图2所示的本实施方式的船舶用柴油发动机10B中，在本实施方式中，使用具有齿轮、旋转轴等的机械性动力传递机构44，将传递轴26的旋转向EGR鼓风机38的未图示的驱动轴传递。本实施方式的其他的结构与所述第一实施方式相同。
根据本实施方式，通过使用机械性动力传递机构44，能够可靠地将传递轴26的旋转向鼓风机38的驱动轴传递。而且，容易使增速装置或减速装置插入于机械性动力传递机构44，EGR鼓风机38的增速控制或减速控制变得容易。因此，EGR气体E的向气缸12内的供给量的调整变得容易，能够形成为最适合于减少NOX的供给量。
(实施方式3)
接着，通过图3～图6来说明本发明装置的第三实施方式。本实施方式的船舶用柴油发动机10C及其废气处理装置的结构与所述第一实施方式的船舶用柴油发动机10A相同，且具备与该船舶用柴油发动机10A相同结构的EGR系统及SCR系统。
在图3中，本实施方式的船舶用柴油发动机10C具备对搭载有控制器50及船舶用柴油发动机10C的船舶的位置进行计测的GPS等位置计测装置52。而且，预先作成目标EGR率映射54及鼓风机必要电力映射56，所述映射存储在控制器50的存储装置中。
如图5所示，目标EGR率映射54是表示发动机负荷的值与必要EGR率(EGR气体量相对于全部废气量的比例)的相关的映射。该必要EGR率对应于各发动机负荷值而设定，是与能够减少废气e中的NOX量的最优的EGR气体量对应的EGR率。
如图6所示，鼓风机必要电力映射56是表示发动机负荷的值与EGR鼓风机38的必要驱动速度(必要电力)的相关的映射。必要驱动速度(必要电力)对应于各发动机负荷值而设定，是能够减少废气e中的NOX量的EGR鼓风机38的最优的必要驱动速度(必要电力)。
在上述结构中，首先，向控制器50输入发动机负荷信号58，并且在控制器50中，对应于输入的该发动机负荷值，选择从所述映射得到的最优的EGR率及鼓风机必要电力。通过控制器50来控制EGR阀34的开度和驱动电动机39，以形成为上述选择的EGR率及鼓风机必要电力。
接着，通过图4来说明本实施方式的操作步骤。在图4中，首先，利用GPS等位置计测装置52来检测船舶的位置(步骤1)。根据该检测结果，当船舶接近废气限制特别严格的特定海域时，驱动EGR鼓风机38。在不是特定海域时，进行通常航行(步骤2)。接近特定海域时，再将EGR阀34打开(步骤3)。
接着，向控制器50输入发动机负荷信号，通过控制器50来控制EGR阀34的开度及EGR鼓风机38的驱动速度，以形成为与该发动机负荷信号对应的目标EGR率及鼓风机必要电力(步骤4)。以该状态在特定海域中航行(步骤5)。接着，返回到步骤1，若船舶从特定海域离开，则返回通常航行。
根据本实施方式，能够对应于废气限制值不同的海域来使废气处理装置运转，从而能够满足各不相同的废气限制值。
即使船舶在废气限制特别严格的特定海域中航行的情况下，也能够基于预先作成的目标EGR率映射54及鼓风机必要电力映射56，控制成可减少废气中的NOX量的EGR气体量，因此能够满足特定海域的废气限制基准。而且，该控制不依赖于发动机驾驶员，而能够自动化地进行。
需要说明的是，所述实施方式均将本发明适用于船舶用柴油发动机，不过，本发明的用途并未限定为船舶用柴油发动机，例如，也可以适用于在机动车等上搭载的柴油发动机。
工业实用性
根据本发明，在设有增压器的柴油发动机中，能够实现废气中的NOX减少，并且能够同时实现节省能源及削减CO2。

Claims (6)

1.一种搭载有废气处理装置的船舶，具备使设有增压器的船舶用柴油发动机的废气的一部分循环到吸气路径的循环路，经由该循环路使废气的一部分循环到吸气路径，降低燃烧温度而抑制NOX的产生，
所述搭载有废气处理装置的船舶的特征在于，
具备：与增压器的动力传递轴连接并从该动力传递轴得到动力的动力取出装置，所述增压器的动力传递轴将压缩机和涡轮连结；
EGR鼓风机，由所述动力取出装置驱动控制并插入设置于所述循环路；
控制器，对设于所述循环路的EGR阀的开度和EGR鼓风机的驱动速度进行控制；
位置计测装置，对搭载有船舶用柴油发动机的船舶的航行位置进行计测，
所述搭载有废气处理装置的船舶构成为，根据该位置计测装置的计测而自动地进行以下控制：在接近废气限制值特别严格的特定海域时进行EGR运转下的航行，在脱离该特定海域时进行通常航行，
并构成为，在所述EGR运转中起动所述EGR鼓风机并打开所述EGR阀，基于预先作成的目标EGR率映射和所述EGR鼓风机的必要电力映射来控制所述控制器并以满足该废气限制值特别严格的特定海域的废气限制值的方式使所述废气处理装置运转，
并构成为在所述通常航行中使所述EGR鼓风机停止。
2.根据权利要求1所述的搭载有废气处理装置的船舶，其特征在于，
所述动力取出装置是发电机，利用由该发电机得到的电力来驱动鼓风机。
3.根据权利要求1所述的搭载有废气处理装置的船舶，其特征在于，
所述动力取出装置是将增压器的动力传递轴的旋转向鼓风机的驱动轴传递而驱动该驱动轴的机械性动力传递机构。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的搭载有废气处理装置的船舶，其特征在于，具备：
预先作成的相关映射，表示柴油发动机的负荷、对应于该负荷而需要的废气循环量、对应于该废气循环量的鼓风机驱动速度之间的相关；及
控制器，基于该相关映射来控制鼓风机驱动速度。
5.根据权利要求1～3中任一项所述的搭载有废气处理装置的船舶，其特征在于，
在增压器的涡轮下游侧废气路径上设置内置有选择性还原催化剂的催化剂转换器，将通过该下游侧废气路径的废气中的NOX除去。
6.根据权利要求4所述的搭载有废气处理装置的船舶，其特征在于，
在增压器的涡轮下游侧废气路径上设置内置有选择性还原催化剂的催化剂转换器，将通过该下游侧废气路径的废气中的NOX除去。
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