JP2010185349A - 排ガス脱硝装置、および、内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】排ガスに対する脱硝効率の低下を抑制するとともに、過給機の応答遅れを抑制することができる排ガス脱硝装置、および、内燃機関を提供する。
【解決手段】エンジン本体３から排出された排ガスを脱硝する脱硝部２１と、排ガスをエンジン本体３から過給機４を介して脱硝部２１に導く上流側流路５と、排ガスをエンジン本体３から過給機４を迂回して脱硝部２１に導く上流側バイパス流路６と、上流側バイパス流路６を流れる排ガスの流量を制御する流量調節部６１，６２と、脱硝部２１から排出された排ガスが流れる下流側流路７と、過給機４から排出された排ガスを、脱硝部２１を迂回して下流側流路７に導く下流側バイパス流路８と、が設けられていることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、特に、船舶等の主機関として用いられる２サイクルディーゼル機関における排ガスの脱硝に用いて好適な排ガス脱硝装置、および、内燃機関に関する。

一般に、船舶のディーゼル主機関から排出される排ガスを脱硝する方法として、選択触媒還元方法（以下、「ＳＣＲ法」と表記する。）が公知の技術として知られている（例えば、特許文献１参照。）。

このＳＣＲ法は、アンモニアや、尿素などを還元剤とした脱硝方法であり、高活性状態とするためには高温の排ガスを供給する必要がある。ここで、排ガスの脱硝に必要な最低温度は、使用される燃料に含まれる硫黄成分の含有率により異なることが知られている。

特許第２９１５６８７号公報

しかしながら、船舶で用いられる２ストロークディーゼル機関では、その他の用途に用いられるディーゼル機関などと比較して排出される排ガス温度が低い。そのため、ディーゼル機関と、ＳＣＲ法により排ガスを脱硝する脱硝装置（以下、「ＳＣＲ装置」と表記する。）との間に、排ガスを用いてディーゼル機関に供給される空気を過給する過給機が配置されていると、脱硝効果が充分に得られないという問題があった。

つまり、過給機から排出された排ガスは、ディーゼル機関から排出された排ガスよりも温度が低下しており、ＳＣＲ装置における脱硝に必要な最低温度に満たない場合があった。

上述の問題を解決するために、排ガス流れに対して、過給機の上流側にＳＣＲ装置を配置する方法、言い換えると、ディーゼル機関と過給機との間にＳＣＲ装置を配置する方法も考えられる。
しかしながら、この方法では、ディーゼル機関の出力変動に対して過給機の応答が遅れる等の問題があった。

さらに、排ガス流れに対する過給機の上流側にＳＣＲ装置を配置すると、ＳＣＲ装置の配置の自由度が失われることとなる。つまり、ディーゼル機関の上段にＳＣＲ装置などの重量物を配置することとなり、振動の問題が発生するおそれがあった。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、排ガスに対する脱硝効率の低下を抑制するとともに、過給機の応答遅れを抑制することができる排ガス脱硝装置、および、内燃機関を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、以下の手段を提供する。
本発明の排ガス脱硝装置は、エンジン本体から排出された排ガスを脱硝する脱硝部と、前記排ガスを前記エンジン本体から過給機を介して前記脱硝部に導く上流側流路と、前記排ガスを前記エンジン本体から前記過給機を迂回して前記脱硝部に導く上流側バイパス流路と、該上流側バイパス流路を流れる前記排ガスの流量を制御する流量調節部と、前記脱硝部から排出された排ガスが流れる下流側流路と、前記過給機から排出された前記排ガスを、前記脱硝部を迂回して前記下流側流路に導く下流側バイパス流路と、が設けられていることを特徴とする。

本発明によれば、過給機に対して排ガス流れの下流側に脱硝部を配置したことにより、上流側に脱硝部を配置した場合と比較して、過給機の応答遅れが抑制される。

排ガスが流れる経路を、脱硝部を通過する経路、および、脱硝部を迂回する経路から選択することにより、脱硝部への排ガスの通過時間を削減することができる。そのため、脱硝部の触媒等の交換やメンテナンスの間隔を長くすることができる。

さらに、上流側バイパス流路を流れる排ガスの流量を調節することにより、脱硝部に流入する排ガスの温度を調節することができる。つまり、過給機を通過して温度が低下した排ガスと、上流側バイパス流路を通過して温度が低下していない排ガスとの割合を調節することにより、脱硝部に流入する排ガスの温度を調節することができる。

上記発明においては、前記下流側流路および前記下流側バイパス流路の一方を流れる前記排ガスの熱を回収する熱交換部が、さらに設けられていることが望ましい。

本発明によれば、排ガスの熱を回収することにより、本発明の排ガス脱硝装置を備えた内燃機関における熱効率の向上を図ることができる。
例えば、下流側流路に熱交換部を配置した場合には、常に排ガスの熱を回収することができる。その一方で、下流側バイパス流路に熱交換部を配置した場合には、脱硝部を用いることなく熱交換器により排ガスの熱を回収することができる。

その一方で、熱交換器が熱を回収する排ガスを、下流側流路を流れる排ガス、および、下流側バイパス流路を流れる排ガスから選択する、言い換えると、熱交換器の配置位置を選択することができるため、熱交換器および脱硝部の配置パターンの自由度を高めることができる。

本発明の内燃機関は、エンジン本体と、該エンジン本体から排出された排ガスを脱硝する脱硝部と、前記排ガスにより駆動され、前記エンジン本体に供給される空気を過給する過給機と、前記排ガスを前記エンジン本体から前記過給機を介して前記脱硝部に導く上流側流路と、前記排ガスを前記エンジン本体から前記過給機を迂回して前記脱硝部に導く上流側バイパス流路と、該上流側バイパス流路を流れる前記排ガスの流量を制御する流量調節部と、前記脱硝部から排出された排ガスが流れる下流側流路と、前記過給機から排出された前記排ガスを、前記脱硝部を迂回して前記下流側流路に導く下流側バイパス流路と、が設けられていることを特徴とする。

本発明によれば、過給機に対して排ガス流れの下流側に脱硝部を配置したことにより、上流側に脱硝部を配置した場合と比較して、過給機の応答遅れが抑制される。

排ガスが流れる経路を、脱硝部を通過する経路、および、脱硝部を迂回する経路から選択することにより、脱硝部への排ガスの通過時間を削減することができる。そのため、脱硝部の交換やメンテナンス間隔を長くすることができる。

さらに、上流側バイパス流路を流れる排ガスの流量を調節することにより、脱硝部に流入する排ガスの温度を調節することができる。つまり、過給機を通過して温度が低下した排ガスと、上流側バイパス流路を通過して温度が低下していない排ガスとの割合を調節することにより、脱硝部に流入する排ガスの温度を調節することができる。

上記発明においては、前記過給機には、前記排ガスによる駆動力を加勢する電動機が設けられていることが望ましい。

本発明によれば、脱硝部に供給される排ガス温度の制御可能な範囲を広げることができる。例えば、エンジン本体への吸気量を維持しつつ、上流側バイパス流路を流れる排ガスの流量を増やして脱硝部に供給される排ガス温度を高くすることができる。
具体的には、電動機が過給機を加勢することにより、余分となった排ガスを脱硝部に直接供給することにより、排ガス温度を高くすることができる。

上記発明においては、前記下流側流路および前記下流側バイパス流路の一方を流れる前記排ガスの熱を回収し、前記エンジン本体に供給される空気を加熱する熱交換部が、さらに設けられていることが望ましい。

本発明によれば、排ガスの熱を回収することにより、本発明の排ガス脱硝装置を備えた内燃機関における熱効率の向上を図ることができる。
例えば、下流側流路に熱交換部を配置した場合には、常に排ガスの熱を回収することができる。その一方で、下流側バイパス流路に熱交換部を配置した場合には、脱硝部を用いることなく熱交換器により排ガスの熱を回収することができる。

その一方で、熱交換器が熱を回収する排ガスを、下流側流路を流れる排ガス、および、下流側バイパス流路を流れる排ガスから選択する、言い換えると、熱交換器の配置位置を選択することができるため、熱交換器および脱硝部の配置パターンの自由度を高めることができる。

本発明の排ガス脱硝装置、および、内燃機関によれば、過給機に対して排ガス流れの下流側に脱硝部を配置したことにより、過給機の応答遅れを抑制することができるという効果を奏する。
さらに、排ガスが流れる経路を、脱硝部を通過する経路、および、脱硝部を迂回する経路から選択するとともに、上流側バイパス流路を流れる排ガスの流量を調節することにより、排ガスに対する脱硝効率の低下を抑制することができるという効果を奏する。

本発明の一実施形態に係るディーゼル機関の構成を説明する模式図である。 図１のディーゼル機関の別の実施例を説明する模式図である。

以下、本発明の一実施形態に係るディーゼル機関について図１および図２を参照して説明する。
図１は、本実施形態に係るディーゼル機関の構成を説明する模式図である。
本実施形態ではディーゼル機関（内燃機関）１を、船舶の主機関として用いられるもの、特に、２ストロークのディーゼル機関に適用して説明するが、これらのものに限定するものではない。

ディーゼル機関１には、図１に示すように、排ガス脱硝装置２と、メインエンジン（エンジン本体）３と、過給機４と、が設けられている。
排ガス脱硝装置２には、ＳＣＲ（脱硝部）２１と、熱交換器（熱交換部）２２と、が設けられている。

メインエンジン３は、２ストロークのディーゼルエンジンそのものであり、例えばスクリューなどの推進部に回転駆動力を供給するものである。
メインエンジン３には、メインエンジン３から排出された排ガスが流入する排気マニホールド３１が設けられている。さらに、メインエンジン３には、過給機４により過給された空気が供給されている。

排気マニホールド３１は、図１に示すように、メインエンジン３から排出された排ガスを集めるものであり、集められた排ガスを上流側流路５に導くものである。
排気マニホールド３１の形状としては、公知の形状をもちいることができ、特に限定するものではない。

上流側流路５は、図１に示すように、メインエンジン３から排出された排ガスを、ＳＣＲ２１に導くものである。上流側流路５の一方の端部は、排気マニホールド３１に接続され、他方の端部は、ＳＣＲ２１に接続されている。
上流側流路５には、過給機４が配置されているとともに、過給機４をバイパスする上流側バイパス流路６が設けられている。

上流側バイパス流路６は、図１に示すように、上流側流路５に流入した排ガスの少なくとも一部を、過給機４をバイパスしてＳＣＲ２１に導くものである。上流側バイパス流路６の一方の端部は、上流側流路５における排気マニホールド３１と過給機４との間に接続され、他方の端部は、過給機４とＳＣＲ２１との間に接続されている。

上流側バイパス流路６には、上流側バイパス流路６を流れる排ガスの流量を調節する上流側流量調節弁（流量調節部）６１が設けられている。
上流側流量調節弁６１としては、公知の調節弁を用いることができ、特に限定するものではない。

過給機４は、図１に示すように、上流側流路５に配置され、上流側流路５の内部を流れる排ガスによって駆動されるものである。過給機４によって過給された空気は、メインエンジン３に供給される。

過給機４には、排ガスによる駆動力を加勢する電動機４１が設けられている。そのため、過給機４は排ガスのみによって駆動されることも、排ガスおよび電動機４１によって駆動されることもできる。
なお、電動機４１としては、公知の電動機を用いることができ、特に限定するものではない。

ＳＣＲ２１は、図１に示すように、メインエンジン３から排出された排ガスを脱硝するものである。ＳＣＲ２１は、熱交換器２２とともに船舶の煙突Ｆの内部に配置されている。
ＳＣＲ２１には、上流側流路５および下流側流路７が接続されている。そのため、ＳＣＲ２１には上流側流路５から排ガスが供給される。その一方で、ＳＣＲ２１において脱硝された排ガスは下流側流路７に流入する。
なお、ＳＣＲ２１としては、公知のものを用いることができ、特に限定するものではない。

下流側流路７は、図１に示すように、ＳＣＲ２１において脱硝された排ガスを外部に導く流路である。下流側流路７の一方の端部はＳＣＲ２１に接続され、他方の端部は外部に開放されている。
下流側流路７には、ＳＣＲ２１を迂回する下流側バイパス流路８が設けられている。

下流側バイパス流路８は、図１に示すように、ＳＣＲ２１に流入する排ガスの一部を迂回させて、下流側流路７に直接流入させるものである。下流側バイパス流路８の一方の端部は上流側流路５に接続され、他方の端部は下流側流路７に接続されている。
具体的には、下流側バイパス流路８の一方の端部は、上流側流路５における上流側バイパス流路６との接続部と、ＳＣＲ２１との間に接続されている。
下流側バイパス流路８には、熱交換器２２が設けられている。

熱交換器２２は、図１に示すように、下流側バイパス流路８を流れる排ガスの熱を回収するものであり、エコノマイザとして使用されるものである。

図２は、図１のディーゼル機関の別の実施例を説明する模式図である。
なお、上述のように、熱交換器２２を下流側バイパス流路８に配置してもよいし、図２に示すように、下流側流路７に配置してもよく、特に限定するものではない。
このようにすることで、ＳＣＲ２１の使用、不使用に関わらず、常に排ガスの熱を回収することができる。

次に、上記の構成からなるディーゼル機関１の運転について図１を参照しながら説明する。
メインエンジン３が運転されると、メインエンジン３から排出された排ガスは、排気マニホールド３１に流入する。排ガスは、排気マニホールド３１から上流側流路５に流入し、過給機４に供給される。

過給機４は、供給された排ガスにより駆動され、外部から吸入した空気を圧縮してメインエンジン３に供給する。過給機４を駆動して、温度が低下した排ガスは上流側流路５を介してＳＣＲ２１に供給される。

その一方で、排気マニホールド３１から上流側流路５に流入した排ガスの一部は、上流側流路５から上流側バイパス流路６に流入する。上流側バイパス流路６に流入する排ガスの流量は、上流側流量調節弁６１により調節される。
上流側バイパス流路６に流入した排ガスは、過給機４を迂回して、直接ＳＣＲ２１に供給される。つまり、温度を低下させることなくＳＣＲ２１に供給される。

このように、上流側流量調節弁６１により上流側バイパス流路６を流れる排ガスの流量を調節することにより、ＳＣＲ２１に供給される排ガスの温度が調節される。つまり、過給機４を通過して温度が低下した排ガスの流量と、上流側バイパス流路６を通過して温度が低下していない排ガスの流量との比率を調節することにより、ＳＣＲ２１に供給される排ガスの温度を調節することができる。

さらに、過給機４を電動機４１により加勢することにより、過給機４からメインエンジン３に過給される空気の量を維持したまま、過給機４に供給される排ガスの流量を減らすことができる。これにより、ＳＣＲ２１に供給される排ガスの温度をさらに高くすることができる。

つまり、過給機４を電動機４１により加勢することで、過給機４に供給される排ガスの流量の比率をさらに減らし、上流側バイパス流路６を通過する排ガスの流量の比率をさらに増やすことにより、ＳＣＲ２１に供給される排ガスの温度をさらに高くすることができる。

言い換えると、ＳＣＲ２１に供給する排ガスの温度を高温に保つ必要がある場合であっても、電動機４１により過給機４を加勢することにより、メインエンジン３への給気量を確保することができる。

ＳＣＲ２１に供給された排ガスは、ＳＣＲ２１において脱硝されて下流側流路７に流入し、外部に排出される。

その一方で、過給機４および上流側バイパス流路６と通過した排ガスの全部または一部は、下流側バイパス流路８に流入する。
ここで、下流側バイパス流路８に流入する排ガスの流量の制御は、下流側流路７と下流側バイパス流路８との接続部から、ＳＣＲ２１までの間に設けられた下流側流量調節弁（流量調節部）６２を用いて行う方法を例示することができる。

下流側バイパス流路８に流入した排ガスは、熱交換器２２においてその熱が回収される。熱を回収された排ガスは、下流側バイパス流路８を介して下流側流路７に流入し、外部に排出される。

図２に示すディーゼル機関１の場合には、ＳＣＲ２１を通過した排ガスが熱交換器２２に供給される場合と、下流側バイパス流路８を通過した排ガスが熱交換器２２に供給される場合とがある。

上記の構成によれば、過給機４に対して排ガス流れの下流側にＳＣＲ２１を配置したことにより、上流側にＳＣＲ２１を配置した場合と比較して、過給機４の応答遅れを抑制することができる。

排ガスが流れる経路を、ＳＣＲ２１を通過する経路、および、ＳＣＲ２１を迂回する経路から選択することにより、ＳＣＲ２１への排ガスの通過時間を削減することができる。そのため、ＳＣＲ２１の触媒交換やメンテナンスの間隔を長くすることができる。

さらに、上流側バイパス流路６を流れる排ガスの流量を調節することにより、ＳＣＲ２１に流入する排ガスの温度を調節することができる。つまり、過給機４を通過して温度が低下した排ガスと、上流側バイパス流路６を通過して温度が低下していない排ガスとの割合を調節することにより、ＳＣＲ２１に流入する排ガスの温度を調節することができる。そのため、排ガスに対する脱硝効率の低下を抑制することができる。

排ガスの熱を、熱交換器２２を用いて回収することにより、本実施形態の排ガス脱硝装置２を備えたディーゼル機関１における熱効率の向上を図ることができる。
例えば、下流側流路７に熱交換器２２を配置した場合には、常に排ガスの熱を回収することができる。その一方で、下流側バイパス流路８に熱交換器２２を配置した場合には、ＳＣＲ２１を用いることなく熱交換器２２により排ガスの熱を回収することができる。

その一方で、熱交換器２２が熱を回収する排ガスを、下流側流路７を流れる排ガス、および、下流側バイパス流路８を流れる排ガスから選択する、言い換えると、熱交換器２２の配置位置を選択することができるため、熱交換器２２およびＳＣＲ２１の配置パターンの自由度を高めることができる。

そのため、熱交換器２２およびＳＣＲ２１を配置スペースが制限される船内、特に煙突Ｆの内部に強固に固定することができ、振動を原因として発生する問題を回避することができる。

電動機４１により過給機４を加勢することにより、ＳＣＲ２１に供給される排ガス温度の制御可能な範囲を広げることができる。例えば、メインエンジン３への吸気量を維持しつつ、上流側バイパス流路６を流れる排ガスの流量を増やしてＳＣＲ２１に供給される排ガス温度を高くすることができる。
具体的には、電動機４１が過給機４を加勢することにより、余分となった排ガスをＳＣＲ２１に直接供給することにより、排ガス温度を高くすることができる。

１ ディーゼル機関（内燃機関）
２ 排ガス脱硝装置
３ メインエンジン（エンジン本体）
４ 過給機
５ 上流側流路
６ 上流側バイパス流路
７ 下流側流路
８ 下流側バイパス流路
２１ ＳＣＲ（脱硝部）
２２ 熱交換器（熱交換部）
６１ 上流側流量調節弁（流量調節部）
６２ 下流側流量調節弁（流量調節部）

Claims (5)

1. エンジン本体から排出された排ガスを脱硝する脱硝部と、
   前記排ガスを前記エンジン本体から過給機を介して前記脱硝部に導く上流側流路と、
   前記排ガスを前記エンジン本体から前記過給機を迂回して前記脱硝部に導く上流側バイパス流路と、
   該上流側バイパス流路を流れる前記排ガスの流量を制御する流量調節部と、
   前記脱硝部から排出された排ガスが流れる下流側流路と、
   前記過給機から排出された前記排ガスを、前記脱硝部を迂回して前記下流側流路に導く下流側バイパス流路と、
   が設けられていることを特徴とする排ガス脱硝装置。
2. 前記下流側流路および前記下流側バイパス流路の一方を流れる前記排ガスの熱を回収する熱交換部が、さらに設けられていることを特徴とする請求項１記載の排ガス脱硝装置。
3. エンジン本体と、
   該エンジン本体から排出された排ガスを脱硝する脱硝部と、
   前記排ガスにより駆動され、前記エンジン本体に供給される空気を過給する過給機と、
   前記排ガスを前記エンジン本体から前記過給機を介して前記脱硝部に導く上流側流路と、
   前記排ガスを前記エンジン本体から前記過給機を迂回して前記脱硝部に導く上流側バイパス流路と、
   該上流側バイパス流路を流れる前記排ガスの流量を制御する流量調節部と、
   前記脱硝部から排出された排ガスが流れる下流側流路と、
   前記過給機から排出された前記排ガスを、前記脱硝部を迂回して前記下流側流路に導く下流側バイパス流路と、
   が設けられていることを特徴とする内燃機関。
4. 前記過給機には、前記排ガスによる駆動力を加勢する電動機が設けられていることを特徴とする請求項３記載の内燃機関。
5. 前記下流側流路および前記下流側バイパス流路の一方を流れる前記排ガスの熱を回収し、前記エンジン本体に供給される空気を加熱する熱交換部が、さらに設けられていることを特徴とする請求項３または４に記載の内燃機関。
   
   

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