JP2011149329A

JP2011149329A - 舶用内燃機関

Info

Publication number: JP2011149329A
Application number: JP2010011160A
Authority: JP
Inventors: Keiichi Shiraishi; 啓一白石; Ryuhei Takashima; 竜平高島; Satoshi Murata; 聡村田
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2010-01-21
Filing date: 2010-01-21
Publication date: 2011-08-04
Also published as: EP2527612A1; WO2011090025A1

Abstract

【課題】舶用内燃機関から排出されるＮＯｘの削減を図るとともに、消費される燃料のエネルギーを有効に利用することができる舶用内燃機関を提供すること。
【解決手段】空気と燃料の供給を受けて回転駆動力を発生するとともに、排気ガスを排出するシリンダ部２と、該シリンダ部２から排出された前記排気ガスを受け入れる排気レシーバー３と、該排気レシーバー３から排出された排気ガスを受け入れる燃焼外筒９と、該燃焼外筒９の内部に配置されて、前記燃焼外筒９の内部に向かって燃料および燃焼用空気を噴出し、内部に存する排気ガスを燃焼させる燃焼内筒８と、前記燃焼外筒９の内部で加熱され、前記燃焼外筒９から排出された排気ガスにより駆動されて、前記シリンダ部２に供給する空気の過給を行う過給機５と、該過給機５から排出された排気ガスに含まれる窒素酸化物を還元する触媒を有する脱硝部とを備えている。
【選択図】図２

Description

本発明は、特に、２サイクル低速ディーゼル機関に適用して好適な舶用内燃機関に関する。

近年の環境保全に対する関心の高まりに伴い、船舶における主機、例えば、２サイクル低速ディーゼル機関から排出される排気ガスに含まれる窒素酸化物（以下、「ＮＯｘ」と表記する。）を削減する必要性が生じている。ＮＯｘ削減を図るためには、ディーゼル機関の排気ガスを脱硝触媒に通す方法が一般的に知られている（例えば、特許文献１および２参照。）。
ここで、脱硝触媒としては、アンモニア等を還元剤として窒素に還元する選択的還元法（ＳＣＲ法）に基づく触媒が一般的に用いられている。

特公平０７−００６３８０号公報特開平０５−２８８０４０号公報

しかしながら、上述のような２サイクル低速ディーゼル機関であって、過給機タービンを備えたものの場合には、過給機タービンから排出された排ガスの温度は３００℃以下となる。
一般に、脱硝触媒におけるＮＯｘの還元反応は、３００℃から３２０℃よりも高い温度で行われることが好ましく、これよりも低温の排ガスを脱硝触媒に通すと、脱硝触媒が短時間で劣化したり、ＮＯｘ低減効果が低くなったりするという問題があった。

上述の問題を解決するために、２サイクル低速ディーゼル機関と過給機タービンとの間に脱硝触媒を配置して、言い換えると、過給機タービンの入口上流側に脱硝触媒を配置して、脱硝触媒に温度が低下する前の高温の排気ガスを導入する方法が知られている。

しかしながら、過給機タービンの入口上流側に脱硝触媒を配置すると、脱硝触媒は熱容量を有し緩衝部として作用することから、ディーゼル機関における起動時や停止時などのように過渡的に負荷が変動した場合に、過給機タービンの回転数が負荷の変動に追従しない、または、遅れるという問題があった。

その一方で、過給機タービンの下流側に脱硝触媒を配置するとともに、過給機タービンと脱硝触媒との間に燃料を燃焼させるバーナーを配置し、脱硝触媒に導入される排気ガスの温度を上げる方法も考えられる。
しかしながら、バーナーにおいて燃焼された燃料のエネルギーは、排気ガスの温度上昇のみに用いられ、回収されることなく系外へ放出されるため、有効に利用されていないという問題があった。

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、舶用内燃機関から排出されるＮＯｘの削減を図るとともに、消費される燃料のエネルギーを有効に利用することができる舶用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。
本発明に係る舶用内燃機関は、空気と燃料の供給を受けて回転駆動力を発生するとともに、排気ガスを排出するシリンダ部と、該シリンダ部から排出された前記排気ガスを受け入れる排気レシーバーと、該排気レシーバーから排出された排気ガスを受け入れる燃焼外筒と、該燃焼外筒の内部に配置されて、前記燃焼外筒の内部に向かって燃料および燃焼用空気を噴出し、内部に存する排気ガスを燃焼させる燃焼内筒と、前記燃焼外筒の内部で加熱され、前記燃焼外筒から排出された排気ガスにより駆動されて、前記シリンダ部に供給する空気の過給を行う過給機と、該過給機から排出された排気ガスに含まれる窒素酸化物を還元する触媒を有する脱硝部とを備えている。

本発明に係る舶用内燃機関によれば、排気レシーバーと過給機との間に形成されたスペースに燃焼外筒および燃焼内筒が配置されることになるので、当該舶用内燃機関が設置される機関室内のスペースを有効に利用（活用）することができる。
また、燃焼外筒の内部において燃料および燃焼用空気を燃焼させることにより、過給機に流入する前の排気ガスにおける温度が高くなる。これにより、燃焼外筒および燃焼内筒が設けられていない場合と比較して、排気ガスが過給機を駆動した後に流出する排気ガスの温度が高くなる。そのため、排気ガスが流入する脱硝部における触媒の温度も高くなり、触媒の劣化を防止することができ、当該舶用内燃機関から排出されるＮＯｘの削減を図ることができる。

さらに本発明に係る舶用内燃機関においては、燃焼外筒および燃焼内筒による排ガス温度上昇により増加した排ガスのエネルギーは、過給機に直結した発電機（ハイブリッド過給機）による発電や、排ガスの一部をパワータービンに導いて、パワータービンで発電機を駆動して発電することにより効率的に回収することができる。

上記舶用内燃機関において、前記燃焼用空気を前記燃焼内筒に導く燃焼用空気供給管の一端が、前記過給機を構成するコンプレッサ部の出口に接続された給気管の途中に接続されているとさらに好適である。

このような舶用内燃機関によれば、燃焼内筒に、給気管から燃焼用空気供給管を介して、燃焼外筒内における燃焼に適した温かい空気が供給されることになるので、燃焼外筒内における燃焼効率を高めることができて、燃焼内筒から噴出される燃料の消費量を低減させることができる。

上記舶用内燃機関において、前記脱硝部に流入する排気ガスの温度に基づいて前記燃焼内筒に供給される燃料および燃焼用空気の流量を制御する制御部が設けられているとさらに好適である。

このような舶用内燃機関によれば、脱硝部に流入する排気ガスの温度に基づいて燃焼内筒に供給される燃料および燃焼用空気の流量を制御することにより、脱硝部における触媒の温度を所定の範囲内に調節することができる。そのため、当該舶用内燃機関から排出されるＮＯｘの削減をより確実に図ることができる。

本発明に係る舶用内燃機関によれば、舶用内燃機関から排出されるＮＯｘの削減を図るとともに、消費される燃料のエネルギーを有効に利用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舶用内燃機関の概略を示す斜視図である。本発明の一実施形態に係る舶用内燃機関の概略を示す構成図である。

以下、本発明の一実施形態に係る舶用内燃機関について、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舶用内燃機関の概略を示す斜視図、図２は本実施形態に係る舶用内燃機関の概略を示す構成図である。
本実施形態では、主に船舶の主機として用いられる２サイクル低速ディーゼル機関に本発明に係る舶用内燃機関（脱硝部付き舶用内燃機関）１を適用して説明する。

舶用内燃機関１は、シリンダ部２（図２参照）と、排気レシーバー（排気集合管：排気マニホールド）３と、バーナー部４と、過給機５と、脱硝部（図示せず）と、制御部（図示せず）とを主たる要素として構成されている。
各シリンダ部２内には、クランク軸と連結されたピストン（図示せず）が配置されている。また、各シリンダ部２の排気ポート（図示せず）は、（第１の）排気管６を介して排気レシーバー３と連通（接続）されており、各排気管６におけるシリンダ２に対する開口部には、当該開口部を開閉する排気弁７（図１参照）が配置されている。

バーナー部４は、少なくとも一つ（本実施形態では二つ）の燃焼内筒８と、少なくとも一本（本実施形態では一本）の燃焼外筒９とを備えている。
燃焼内筒８は、過給機５のコンプレッサ部５ａの出口と、図２に示す空気冷却器（インタークーラ）１０の入口とを連通（接続）する（第１の）給気管１１の途中から、バーナー用空気供給管（燃焼用空気供給管）１２を介して供給された燃焼用空気、および図示しない燃料供給源から、バーナー用燃料供給管（図示せず）を介して供給された燃料を燃焼外筒９の内部に向けて噴出するものであり、その長手方向軸線が、燃焼外筒９の長手方向軸線に（略）平行となるように配置されている。

燃焼外筒９は、その両端に位置する開口部が、平面視円形状を呈する板状の閉塞部材１３で閉塞された中空円筒状の部材であり、その長手方向軸線が、排気レシーバー３の長手方向軸線に（略）平行となるようにして、排気レシーバー３と過給機５との間に形成されるスペース（空間）に配置されている。また、排気レシーバー３と燃焼外筒９とは、少なくとも一本（本実施形態では三本）の（第２の）排気管１４を介して連通（接続）されており、燃焼外筒９と過給機５のタービン部５ｂとは、（第３の）排気管１５を介して連通（接続）されている。
そして、燃焼内筒８から燃焼外筒９の内部に向けて噴出された燃焼用空気および燃料は、燃焼外筒９の内部で燃焼させられ、排気レシーバー３から過給機５に供給される排気ガス（燃焼ガス）を加熱して、排気ガスの温度を高めるのに使用（利用）される。

過給機５は、排気管６，１４，１５を介してシリンダ部２から導かれた排気ガスによって駆動されるタービン部５ｂと、このタービン部５ｂにより駆動されてシリンダ部２に外気を圧送するコンプレッサ部５ａと、これらタービン部５ｂとコンプレッサ部５ａとの間に設けられてこれらを支持するケーシング（図示せず）とを主たる要素として構成されたものである。
ケーシングには、一端部をタービン部５ｂ側に突出させ、他端部をコンプレッサ部５ａに突出させた回転軸（図示せず）が挿通されている。回転軸の一端部は、タービン部５ｂを構成するタービン・ロータ（図示せず）のタービン・ディスク（図示せず）に取り付けられており、回転軸の他端部は、コンプレッサ部５ａを構成するコンプレッサ羽根車（図示せず）のハブ（図示せず）に取り付けられている。
なお、図１中の符号５ｃは、タービン部５ｂの出口を示している。

そして、過給機５のタービン部５ｂを通過した排気ガスは、（第４の）排気管（図示せず）を介してファンネル（図示せず）に導かれた後、船外に排出されるようになっている。
一方、コンプレッサ部５ａの入口には、吸込フィルタ１６が配置されており、この吸込フィルタ１６を通過した外気が、コンプレッサ部５ａに導かれるようになっている。また、空気冷却器１０の出口は、（第２の）給気管（図示せず）を介して図２に示す掃気室（給気マニホールド）１７に連通（接続）され、掃気室１７と各シリンダ部２の給気ポート（図示せず）とは、（第３の）給気管（図示せず）を介して連通（接続）されており、コンプレッサ部５ａを通過した外気は、（第１の）給気管１１、空気冷却器１０、（第２の）給気管、掃気室１７、（第３の）給気管を通過して各シリンダ部２の給気ポートに導かれた後、各シリンダ部２内に供給されるようになっている。

脱硝部は、（第４の）排気管の途中に設けられて、過給機５のタービン部５ｂを通過してファンネルに導かれる排気ガスに含まれるＮＯｘを還元するものであり、内部にＮＯｘを還元する触媒を有するものである。
制御部は、燃料供給源（図示せず）から燃焼内筒８に燃料を供給するバーナー用燃料供給管（図示せず）の途中に設けられて燃料の流量を調整する燃料調節弁（図示せず）、およびバーナー用空気供給管１２の途中に設けられて燃焼用空気の流量を調整する燃焼用空気調節弁（図示せず）を制御するものである。制御部には、例えば、排気ガス温度センサ（図示せず）により測定された排気ガス温度が入力され、制御部からは、燃料調節弁および燃焼用空気調節弁の開度を制御する制御信号が出力されるようになっている。
排気ガス温度センサは、例えば、脱硝部よりも上流側に位置する（第４の）排気管に配置された温度センサであり、過給機５から流出し、脱硝部に流入する排気ガスの温度を測定するセンサである。

つぎに、上記のように構成された舶用内燃機関１における運転の概略について説明する。
舶用内燃機関１が運転されると、シリンダ部２において排気ガスが発生し、シリンダ部２から（第１の）排気管６を介して排気レシーバー３に排気ガスが排出される。
排気レシーバー３に排出された排気ガスは、（第２の）排気管１４を介してバーナー部４を構成する燃焼外筒９の内部に導かれる。
燃焼外筒９の内部には、バーナー部４を構成する燃焼内筒８から燃焼用空気および燃料が噴出され、燃焼用空気および燃料が燃焼される。燃焼外筒９の内部に存する排気ガスは、燃焼用空気および燃料が燃焼する際に発生した熱により、加熱されその温度が上昇する。

加熱された排気ガスは、（第３の）排気管１５を介して過給機５のタービン部５ｂに供給され、タービン部５ｂのタービン・ロータ（図示せず）を回転駆動する。このとき、タービン・ロータと同軸に配置されたコンプレッサ羽根車（図示せず）は、タービン・ロータとともに回転駆動されることにより、外部から空気を吸入し昇圧する。言い換えると空気を過給する。過給された空気は、（第１の）給気管１１、空気冷却器１０、（第２の）給気管、掃気室１７、（第３の）給気管、各シリンダ部２の給気ポートを介してシリンダ部２に供給される。

その一方で、タービン部５ｂのタービン・ロータを回転駆動した排気ガスは、タービン・ロータを回転駆動することにより失ったエネルギーに対応して温度が低下し、温度が低下した状態でタービン部５ｂの出口５ｃから（第４の）排気管に流出する。

（第４の）排気管に流入した排気ガスは、脱硝部に流入して触媒と接触することにより、排気ガスに含まれるＮＯｘが還元される。その後、排気ガスは、脱硝部から（第４の）排気管を介して外部に排出される。

つづいて、制御部による燃料調節弁および燃焼用空気調節弁の制御について説明する。
制御部には、排気ガス温度センサによって測定された脱硝部に流入する排気ガス温度の測定信号が入力される。制御部は、入力された測定信号に基づいて、脱硝部に流入する排気ガス温度が所定の温度範囲、例えば、少なくとも脱硝部の触媒が有効の働く温度以上の温度であるか否かを判定する。

脱硝部に流入する排気ガス温度が、所定の温度範囲よりも低い温度であると判定された場合には、制御部は、当該排気ガス温度を上げるために燃料調節弁および燃焼用空気調節弁に対して弁の開度を開く制御信号を出力する。
当該制御信号が入力された燃料調節弁および燃焼用空気調節弁は弁開度を大きくし、燃焼内筒８に供給される燃料および燃焼用空気の流量を増やす。すると、燃焼内筒８から噴射される燃料および燃焼用空気の量が増加し、燃焼外筒９の内部で発生する熱量が増加する。これにより、燃焼外筒９の内部の排気ガスの温度が上昇し、そこから脱硝部に流入する排気ガスの温度も上昇する。

その一方で、脱硝部に流入する排気ガス温度が、所定の温度範囲よりも高い温度であると判定された場合には、制御部は、当該排気ガス温度を下げるために燃料調節弁および燃焼用空気調節弁に対して弁開度を閉じる制御信号を出力する。
当該制御信号が入力された燃料調節弁および燃焼用空気調節弁は弁開度を小さくし、燃焼内筒８に供給される燃料および燃焼用空気の流量を減らす。すると、燃焼内筒８から噴射される燃料の量が減少し、燃焼外筒９の内部で発生する熱量が減少する。これにより、燃焼外筒９の内部の排気ガスの温度が低下し、そこから脱硝部に流入する排気ガスの温度も低下する。

本実施形態に係る舶用内燃機関１によれば、排気レシーバー３と過給機５との間に形成されたスペースにバーナー部４が配置されることになるので、当該舶用内燃機関１が設置される機関室内のスペースを有効に利用（活用）することができる。
また、バーナー部４を構成する燃焼内筒８には、（第１の）給気管１１からバーナー用空気供給管１２を介して、掃気室１７内の空気よりも温度が高く、燃焼外筒９内における燃焼に適した温かい空気が供給されることになるので、燃焼外筒９内における燃焼効率を高めることができて、燃焼内筒８から噴出される燃料の消費量を低減させることができる。

さらに、バーナー部４において燃料および燃焼用空気を燃焼させることにより、過給機５に流入する前の排気ガスにおける温度が高くなる。これにより、バーナー部４が設けられていない場合と比較して、排気ガスが過給機５を駆動した後に流出する排気ガスの温度が高くなる。そのため、排気ガスが流入する脱硝部における触媒の温度も高くなり、触媒の劣化を防止することができ、当該舶用内燃機関１から排出されるＮＯｘの削減を図ることができる。

さらにまた、過給機５と脱硝部との間にバーナー部４を配置して、過給機５から流出した排気ガスの温度を高めて当該加熱された排気ガスを脱硝部に流入させる方法と比較して過給機のタービン前の排ガスエネルギーが、過給機で空気の圧縮に必要とされる量よりも大きくなる。従って、この余剰エネルギーを過給機直結の発電機や、排ガスの一部を導いて動力の回収をするパワータービン発電装置に活用することで、バーナーに納入した燃料のエネルギーを回収することができる。

さらにまた、脱硝部に流入する排気ガスの温度に基づいてバーナー部４に供給される燃料および燃焼用空気の流量を制御することにより、脱硝部における触媒の温度を所定の範囲内に調節することができる。そのため、当該舶用内燃機関１から排出されるＮＯｘの削減をより確実に図ることができる。

なお、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、適宜必要に応じて変形あるいは変更して実施することができる。
例えば、上述した実施形態では、一本の燃焼外筒９の内部に二つの燃焼内筒８が配置されているが、一本の燃焼外筒９の内部に一つまたは三つ以上の燃焼内筒８が配置されていてもよく、二本以上の燃焼外筒９の内部に燃焼内筒８がそれぞれ一つまたは二つ以上ずつ配置されていてもよい。

また、上述した実施形態では、排気レシーバー３と燃焼外筒９との間に三本の（第２の）排気管１４が配置されているが、この（第２の）排気管１４は、一本でも二本でも、あるいは四本以上であってもよい。

さらに、上述した実施形態では、（第１の）給気管１１からバーナー用空気供給管１２を介して燃焼用空気を燃焼内筒８に供給するようにしているが、掃気室１０からバーナー用空気供給管１２を介して、あるいは別途用意された燃焼用空気供給源（例えば、圧縮空気槽）からバーナー用空気供給管１２を介して供給されるようにしてもよい。

１舶用内燃機関
２シリンダ部
３排気レシーバー
５過給機
５ａコンプレッサ部
５ｃ出口
８燃焼内筒
９燃焼外筒
１１（第１の）給気管
１２バーナー用空気供給管（燃焼用空気供給管）

Claims

空気と燃料の供給を受けて回転駆動力を発生するとともに、排気ガスを排出するシリンダ部と、
該シリンダ部から排出された前記排気ガスを受け入れる排気レシーバーと、
該排気レシーバーから排出された排気ガスを受け入れる燃焼外筒と、
該燃焼外筒の内部に配置されて、前記燃焼外筒の内部に向かって燃料および燃焼用空気を噴出し、前記燃焼外筒の内部に存する排気ガスを燃焼させる燃焼内筒と、
前記燃焼外筒の内部で加熱され、前記燃焼外筒から排出された排気ガスにより駆動されて、前記シリンダ部に供給する空気の過給を行う過給機と、
該過給機から排出された排気ガスに含まれる窒素酸化物を還元する触媒を有する脱硝部とを備えていることを特徴とする舶用内燃機関。
前記燃焼用空気を前記燃焼内筒に導く燃焼用空気供給管の一端が、前記過給機を構成するコンプレッサ部の出口に接続された給気管に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の舶用内燃機関。
前記脱硝部に流入する排気ガスの温度に基づいて前記燃焼内筒に供給される燃料および燃焼用空気の流量を制御する制御部が設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の舶用内燃機関。