JP2011252447A - 脱硝部付き内燃機関およびこれを備える船舶 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関の起動開始時から排出排気ガス中の窒素酸化物の削減が可能な脱硝部付き内燃機関およびこれを備える船舶を提供することを目的とする。
【解決手段】空気を送風するブロア３と、ブロア３が送風した空気と燃料とを燃焼して駆動力を生じるとともに、排気ガスを排出する燃焼室４と、燃焼室４から排出された排気ガスに駆動される過給機２と、過給機２から排出された排気ガス中の窒素酸化物を還元する触媒を有する脱硝装置１０と、燃焼室４と過給機２との間に設けられ、過給機２に導かれる排気ガスに燃料を噴射して燃焼させるバーナー部８と、を備える脱硝部１０付き内燃機関１において、内燃機関１の起動前に、ブロア３によって送風された空気が燃焼室４から燃焼空気として導出されることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、脱硝部付き内燃機関およびこれを備える船舶に関し、特に、内燃機関の起動時に関するものである。

近年の環境保全に対する関心の高まりに伴い、船舶から排出される排気ガスに含まれている窒素酸化物（以下、「ＮＯｘ」という。）を削減する必要性が生じている。ＮＯｘ削減を図るためには、船舶に搭載されている、例えば主機に用いられている内燃機関から排出される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）。

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い。そのため、内燃機関に設けられている過給機の下流側に脱硝触媒を配置するとともに、過給機と脱硝触媒との間、または、内燃機関と過給機との間に燃料を燃焼させるバーナーを配置して脱硝触媒に導入する排気ガスの温度を上げる方法が用いられている。

特公平０７−００６３８０号公報 特開平０５−２８８０４０号公報

しかし、内燃機関の起動直後にバーナーを用いて温度を上昇させた排気ガスを脱硝触媒に導入した場合には、脱硝触媒が低温状態であるため、脱硝効果を十分に得ることが出来ないという問題があった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、内燃機関の起動開始時から排気ガス中の窒素酸化物の削減が可能な脱硝部付き内燃機関およびこれを備える船舶を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の脱硝部付き内燃機関およびこれを備える船舶は、以下の手段を採用する。
すなわち、本発明に係る脱硝部付き内燃機関によれば、空気を送風するブロアと、該ブロアが送風した空気と燃料とを燃焼して駆動力を生じるとともに、排気ガスを排出する燃焼室と、該燃焼室から排出された排気ガスに駆動される過給機と、該過給機から排出された排気ガス中の窒素酸化物を還元する触媒を有する脱硝部と、前記燃焼室と前記過給機との間に設けられ、該過給機に導かれる排気ガスに燃料を噴射して燃焼させるバーナー部と、を備える脱硝部付き内燃機関において、該内燃機関の起動前に、前記ブロアによって送風された空気が前記燃焼室から燃焼空気として導出されることを特徴とする。

脱硝部付き内燃機関の起動前に、バーナー部には、ブロアによって送風された空気が燃焼空気として導かれることとした。これにより、過給機の上流には、バーナー部から噴射される燃料を燃焼するために必要な酸素を供給することができる。そのため、燃料と空気とが燃焼することによる温度の高い排気ガスを過給機から脱硝部へと導くことができる。したがって、内燃機関の起動前に脱硝部の予熱をすることができ、内燃機関の起動直後から脱硝部の脱硝効果を発揮させることができる。

さらに、本発明に係る脱硝部付き内燃機関によれば、前記バーナー部は、前記内燃機関の運転時に燃料を噴射する主バーナーと、前記内燃機関の起動前に燃料を噴射する補助バーナーと、を備えることを特徴とする。

内燃機関の運転時に燃料を噴射する主バーナーと、内燃機関の起動前に燃料を噴射する補助バーナーとを備えるバーナー部を設けることとした。これにより、内燃機関の運転状態に応じて主バーナーと補助バーナーとを使い分けることができる。そのため、内燃機関の起動前には、導かれた燃焼空気量に適した補助バーナーを用いて安定した燃焼状態を形成することができる。したがって、適切に脱硝部を予熱することができる。

さらに、本発明に係る脱硝部付き内燃機関によれば、前記バーナー部には、前記脱硝装置の下流側の排気ガスの温度に基づいて燃料の流量が供給されることを特徴とする。

脱硝装置から流出する排気ガスの温度に基づいてバーナー部に供給される燃料の流量を制御することとした。そのため、内燃機関の起動前に脱硝部から流出する排気ガスの温度が低い場合には、バーナー部に供給する燃料の流量を増やして温度の上昇した排気ガスを脱硝部に導くことができる。したがって、脱硝部を所望の温度に予熱することができる。
なお、脱硝部の所望の温度とは、脱硝部に導かれた排気ガスを脱硝するのに適した温度をいう。

さらに、本発明に係る船舶によれば、上記のいずれかに記載の脱硝部付き内燃機関を備えることを特徴とする。

内燃機関の起動直後から脱硝効果を発揮させることが可能な脱硝部付き内燃機関を用いることとした。したがって、内燃機関の起動直後であっても、船舶から排出される窒素酸化物の排出量を低減することができる。

さらに、本発明に係る船舶によれば、前記補助バーナーには、燃料を噴霧するための空気として船内の雑用空気が供給されることを特徴とする。

船内の雑用空気を補助バーナーの燃料噴霧用の空気として用いることとした。そのため、燃料を霧化（アトマイズ）するための空気を供給する機器を別途設けることなく、補助バーナーから噴霧される燃料の燃焼性を高めることができる。

脱硝部付き内燃機関の起動前に、バーナー部には、ブロアによって送風された空気が燃焼室から導出される燃焼空気として導かれることとした。これにより、過給機の上流には、バーナー部から噴射される燃料を燃焼するために必要な酸素を供給することができる。そのため、燃料と空気とが燃焼することによる温度の高い排気ガスを過給機から脱硝部へと導くことができる。したがって、内燃機関の起動前に脱硝部の予熱をすることができ、内燃機関の起動直後から脱硝部の脱硝効果を発揮させることができる。

本発明の第１実施形態に係る船舶に設けられている脱硝装置付き内燃機関の概略構成図である。 本発明の第２実施形態に係る船舶に設けられている脱硝装置付き内燃機関の概略構成図である。

［第１実施形態］
図１は、本発明の第１実施形態に係る船舶に設けられている脱硝装置付き内燃機関の概略構成図を示している。
本実施形態の内燃機関１には、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（以下「内燃機関」という。）を適用して説明する。

内燃機関１は、ハイブリッド過給機（過給機）２および補助ブロア（ブロア）３が搭載されている。
ハイブリッド過給機２は、圧縮機（図示せず）と、タービン（図示せず）と、回転軸（図示せず）と、発電機２ａとを備えている。圧縮機は、大気を吸引して空気を圧縮する。タービンは、排気ガスが導かれて排気ガスが有する熱エネルギなどのエネルギを用いて回転駆動力を発生する。タービンと過給機との間には、回転軸が接続されている。回転軸は、タービンが回転駆動することによって回転する。回転軸が回転することによって圧縮機は、回転駆動して空気を圧縮する。回転軸の端には、発電機２ａが接続されている。回転軸が回転することによって、発電機２ａが発電する。

ハイブリッド過給機２には、図１に示すように、ハイブリッド過給機２のタービンへ排気ガスを導く第１排気管３１と、タービンを駆動した排気ガスがハイブリッド過給機２から導出される第２排気管３２と、ハイブリッド過給機２の圧縮機によって圧縮された空気が導出される吸気管３３とが接続されている。

なお、ハイブリッド過給機２としては、公知のハイブリッド過給機を用いることができ、特に限定するものではない。また、ハイブリッド過給機２ではなく、公知の過給機を用いても良い。

補助ブロア３は、空気を内燃機関１へと送風するものである。補助ブロア３は、内燃機関１の起動前や内燃機関１が低負荷運転時等であって、ハイブリッド過給機２が空気を内燃機関１に導くことが出来ない場合に用いられる。補助ブロア３は、ハイブリッド過給機２の圧縮機と内燃機関１との間を接続している吸気管３３の途中位置に設けられている。

内燃機関１は、図１に示すように、複数のシリンダ４Ｃと、複数のピストン４Ｐと、１の排気集合管５と、１の掃気室６とを主に備えている。
シリンダ４Ｃおよびピストン４Ｐは、図示しないシリンダカバーと共に燃焼室４を構成している。これによって、燃焼室４は、シリンダ４Ｃおよびピストン４Ｐの数だけ複数形成されることとなる（図１には、１の燃焼室４のみを示す）。燃焼室４には、図１に示すように、ハイブリッド過給機２または補助ブロア３から空気を導く吸気管３３と、燃焼室４内で燃料が燃焼することにより発生する排気ガスを排出する排気管３４とが接続されている。

燃焼室４を構成しているシリンダカバーには、燃焼室４の内部に燃料を噴射する燃料噴射弁（図示せず）と、燃焼室４内に発生した排気ガスを排出する排気弁７とが各々設けられている。燃焼室４内で燃料が燃焼することによって発生した排気ガスは、排気弁７が開状態となることによって排気管３４へと排出される。

なお、シリンダ４Ｃ、ピストン４Ｐ、シリンダカバー、燃料弁、排気弁７の構成としては、公知の２サイクル低速ディーゼル機関の構成を用いることができ、特に限定するものではない。

排気集合管５は、複数の燃焼室４から各排気管３４を介して排出された排気ガスが流入して合流させるものである。排気集合管５には、複数の燃焼室４との間を接続している複数の排気管３４と、ハイブリッド過給機２のタービンとの間を接続している第１排気管３１とが接続されている。

第１排気管３１は、排気集合管５とハイブリッド過給機２との間を接続している流路であって、排気ガスを排気集合管５からハイブリッド過給機２へと導くものである。第１排気管３１には、バーナー部８が設けられている。バーナー部８は、第１排気管３１の内部に燃料を噴射して燃焼させ、温度の高い排気ガスを発生させる。

バーナー部８には、バーナー１１と、燃料調節弁１２とが設けられている。バーナー１１は、図示しない燃料系統から供給された燃料を排気集合管５の内部に向けて噴射するものである。燃料調節弁１２は、バーナー１１に供給される燃料の流量を調節する流量調節弁であり、図１に示すように、制御装置９から入力される制御信号に基づいて燃料の流量を調節するものである。
なお、バーナー１１および燃料調節弁１２の構成としては、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。

ハイブリッド過給機２の下流側に接続されている第２排気管３２の途中位置には、脱硝装置１０が設けられている。
脱硝装置（脱硝部）１０は、排気ガスに含まれている窒素酸化物（以下、「ＮＯｘ」という。）を還元するものであり、その内部にＮＯｘを還元する触媒（図示せず）を有している。脱硝装置１０から流出した排気ガスは、図示しない集合排気系統から外部へと導かれる。
なお、ＮＯｘを還元する触媒としては、公知の触媒を用いることができ、特に限定するものではない。

制御装置９は、図１に示すように、バーナー部８に設けられている燃料調節弁１２を制御するものである。制御装置９には、後述する排気ガス温度センサ（図示せず）により測定された脱硝装置１０の出口における排気ガスの温度が入力される。また、制御装置９からは、燃料調節弁１２の開度を制御する制御信号が出力される。

排気ガス温度センサは、脱硝装置１０の下流側に接続されている第２排気管３２上であって脱硝装置１０の出口近傍に配置されている。排気ガス温度センサは、温度センサであり、脱硝装置１０から導出される排気ガスの温度を測定するものである。

次に、本実施形態に係る脱硝装置付き内燃機関の起動前における空気の流れについて説明する。
内燃機関１が起動前には、まず、補助ブロア３の運転が開始される。運転を開始した補助ブロア３からは、吸気管３３を経て空気が内燃機関１へと送風される。内燃機関１に送風された空気は、シリンダ４Ｃに設けられている掃気孔４Ｓから燃焼室４内へと導かれる。この空気が導かれる燃焼室４は、内燃機関１に複数設けられているピストン４Ｐが接続されているクランク軸（図示せず）が下死点にあるシリンダ４Ｃに対応している燃焼室４である。

クランク軸が下死点にあるピストン４Ｐに対応する燃焼室４では、シリンダカバーに設けられている排気弁７が開状態となっている。そのため、燃焼室４内に導かれた空気は、燃焼室４から排気弁７および排気管３４を介して排気集合管５へと導かれる。
なお、内燃機関１が起動されていないため、燃焼室４には、燃料噴射弁より燃料が噴射されない。そのため、内燃機関１自体からは、排気ガスが排出されない。

排気集合管５内の空気は、第１排気管３１に導かれる。第１排気管３１に導かれた空気には、第１排気管３１に設けられているバーナー１１から燃料が噴射される。第１排気管３１に導かれた空気中には、酸素が含まれている。そのため、第１排気管３１に導かれた空気は、バーナー１１の燃焼空気として用いられる。

第１排気管３１において、導かれた空気にバーナー１１から燃料が噴射されることによって燃料が燃焼する。燃料が燃焼することにより、第１排気管３１の内部には、排気ガスが生じる。生じた排気ガスは、燃料が燃焼する際に発生した熱により温度が上昇したものとなっている

温度が上昇した排気ガスは、第１排気管３１を介してハイブリッド過給機２へと導かれる。ハイブリッド過給機２に導かれた排気ガスの流量は、ハイブリッド過給機２を駆動するために必要な流量に比べて小さい。そのため、ハイブリッド過給機２は、極低回転で回転駆動されるのみである。ハイブリッド過給機２が極低回転することによって、圧縮機が空気を吸気管３３へと送風する。

ハイブリッド過給機２を極低回転で回転駆動した排気ガスは、ほぼ同じ温度のまま第２排気管３２へと導出される。第２排気管３２に導出された高温の排気ガスは、脱硝装置１０に流入する。脱硝装置１０に流入した高温の排気ガスは、脱硝装置１０の触媒に導かれる。触媒は、導かれた高温の排気ガスによって予熱される。触媒を予熱した排気ガスは、脱硝装置１０から第２排気管３２へと導出されて集合排気系統に排出される。

次に、内燃機関１の起動前における制御装置９の制御について説明する。
制御装置９には、第２排気管３２に設けられている排気ガス温度センサによって測定された脱硝装置１０から導出した排気ガスの温度の測定信号が入力される。制御装置９は、入力された測定信号に基づいて、排気ガスの温度が所定の温度よりも低い場合には、バーナー部８に供給される燃料の流量を増加させるように燃料調節弁１２の制御を行う。
なお、脱硝装置１０の出口の排気ガスの所定の温度とは、脱硝装置１０に導かれる排気ガスを脱硝するのに適した温度をいう。

脱硝装置１０から導出した排気ガスの温度が所定の温度に達したと判断された場合には、脱硝装置１０の触媒が脱硝効果を発揮するのに適した温度であるとして、制御装置９は、バーナー部８に導く燃料の供給を停止する。これによって、脱硝装置１０の触媒の予熱が完了することになる。

次に、内燃機関１における運転の概略について説明する。
内燃機関１の起動時には、補助ブロア３によって空気が送風される。送風された空気は、掃気室６から掃気孔４Ｓを経て燃焼室４内へと導かれる。燃焼室４に導かれた空気には、燃焼室４を構成しているシリンダカバーに設けられている燃料弁から燃料が噴射される。燃焼室４に噴射された燃料は、補助ブロア３によって送風された空気と共に燃焼して排気ガスとなる。燃焼室４内に発生した排気ガスは、開状態となっている排気弁７を経て排気集合管５へと排出される。

各燃焼室４から排気集合管５に導かれた排気ガスは、第１排気管３１へと導出される。第１排気管３１に導出された排気ガスには、バーナー部８のバーナー１１より燃料が噴射される。これにより、第１排気管３１に噴射された燃料は、燃焼する。第１排気管３１に噴射された燃料が燃焼した熱によって、内燃機関１から第１排気管３１に導かれた排気ガスが加熱される。
なお、ここでバーナー１１が噴射する燃料は、制御装置９に入力された内燃機関１の主機関負荷信号に応じて流量が決定される。

加熱された排気ガスは、第１排気管３１からハイブリッド過給機２へと導かれる。ハイブリッド過給機２に導かれた排気ガスは、ハイブリッド過給機２のタービンを回転駆動する。タービンが回転駆動されることによって、タービンに接続されている回転軸が回転する。そのため、回転軸に接続されている圧縮機が空気を吸引して圧縮する。圧縮機によって圧縮された空気は吸気管３３から内燃機関１へと供給される。

また、タービンが回転駆動されることによって回転軸の端に接続されている発電機２ａが発電する。発電機２ａによって発電された電気は、周波数変換装置１３によって所定の周波数に変換され、船内電力等に用いられる。

タービンを回転駆動した排気ガスは、タービンを回転駆動することにより失ったエネルギに対応して温度が低下する。温度が低下した排気ガスは、ハイブリッド過給機２から第２排気管３２に導出される。第２排気管３２に導出された排気ガスは、脱硝装置１０に導かれて触媒と接触する。脱硝装置１０に設けられている触媒は、既に脱硝効果を発揮するのに適した温度に予熱されている。そのため、脱硝装置１０に導かれた排気ガスに含まれているＮＯｘは、脱硝装置１０を通過することによって還元される。その後、排気ガスは、脱硝装置１０から第２排気管３２を経て集合排気系統へと導かれる。

以上の通り、本実施形態に係る脱硝装置付き内燃機関およびこれを備える船舶によれば、以下の作用効果を奏する。
脱硝装置（脱硝部）１０付き内燃機関１の起動前に、バーナー部８には、補助ブロア（ブロア）３によって送風された空気が燃焼室４から導出された燃焼空気として導かれることとした。これにより、ハイブリッド過給機（過給機）２の上流側には、バーナー部８から噴射される燃料を燃焼するために必要な酸素を供給することができる。そのため、燃料と空気とが燃焼することによる温度の高い排気ガスをハイブリッド過給機２から脱硝装置１０へと導くことができる。したがって、内燃機関１の起動前に脱硝装置１０の予熱をすることができ、内燃機関１の起動直後から脱硝装置１０の脱硝効果を発揮させることができる。

脱硝装置１０から流出する排気ガスの温度に基づいてバーナー部８のバーナー１１に供給される燃料の流量を制御することとした。そのため、内燃機関１の起動前に脱硝装置１０から流出する排気ガスの温度が低い場合には、バーナー１１に供給する燃料の流量を増やして温度の上昇した排気ガスを脱硝装置１０に導くことができる。したがって、脱硝装置１０を所望の温度に予熱することができる。

内燃機関１の起動直後から脱硝効果を発揮させることが可能な脱硝装置１０付き内燃機関１を用いることとした。したがって、内燃機関１の起動直後であっても、船舶から排出される窒素酸化物の排出量を低減することができる。

なお、本実施形態では、バーナー部８のバーナー１１が、第１排気管３１に配置されているとして説明したが、排気集合管５にバーナー１１が設けられていてもよく、特に限定するものではない。

［第２実施形態］
以下、本発明の第２実施形態について説明する。本実施形態の脱硝装置付き内燃機関およびこれを備える船舶は、バーナー部が主バーナーと補助バーナーとからなる点で第１実施形態と相違しその他は同様である。したがって、同一の構成、同一の流れおよび制御方法については、同一の符号を付してその説明を省略する。
図２は、本発明の第２実施形態の船舶に設けられている脱硝装置付き内燃機関の概略構成図を示している。

バーナー部（図示せず）は、主バーナー１３と、補助バーナー１４との２本を備えている。
主バーナー１３には、図示しない燃料供給系統から供給された燃料が燃料調節弁１２によって流量が調整されて導かれる。主バーナー１３は、内燃機関１が起動後に排気集合管５から導かれた排気ガスを加熱するために燃料を噴射するものである。
補助バーナー１４は、内燃機関１の起動前に脱硝装置（脱硝部）１０を予熱するために、補助ブロア（ブロア）３から導かれた空気に対して燃料を噴射するものである。

補助バーナー１４には、燃料供給系統から所定の流量の燃料と、船内の雑用空気系統（図示せず）から導かれた空気とが供給される。雑用空気系統（雑用空気）から補助バーナー１４に導かれた空気は、補助バーナー１４から噴射される燃料を霧化（アトマイズ）するアトマイズ空気として用いられる。これにより、補助バーナー１４によって噴霧される燃料は、粒子径の小さな霧状態とされる。補助バーナー１４に導かれる燃料の流量は、補助ブロア３を駆動した際に第１排気管３１に導かれる空気量に対応したものとされている。

制御装置９は、内燃機関１の起動前に補助バーナー１４から燃料を噴霧するように補助バーナー１４を制御する。その後、第２排気管３２に設けられている排気ガス温度センサ（図示せず）によって測定された脱硝装置１０の排気ガスの温度が所定の温度に達した場合には、制御装置９は、補助バーナー１４から燃料の噴霧を停止して、主バーナー１３から燃料を噴射するように切換える。

以上の通り、本実施形態に係る脱硝装置付き内燃機関およびこれを備える船舶によれば、以下の作用効果を奏する。
内燃機関１の運転時に燃料を噴射する主バーナー１３と、内燃機関１の起動前に燃料を噴霧（噴射）する補助バーナー１４とを備えるバーナー部（図示せず）を設けることとした。これにより、内燃機関１の運転状態に応じて主バーナー１３と補助バーナー１４とを使い分けることができる。そのため、内燃機関１の起動前には、補助ブロア（ブロア）３から内燃機関１の燃焼室４を経て導かれた燃焼空気の流量に適した補助バーナー１４を用いて、安定した燃焼状態を形成することができる。したがって、適切に脱硝装置（脱硝部）１０を予熱することができる。

船内の雑用空気系統（雑用空気）を補助バーナー１４の燃料の噴霧用の空気として用いることとした。そのため、燃料を霧化（アトマイズ）するための空気を供給する機器を別途設けることなく、補助バーナー１４から噴霧される燃料の燃焼性を高めることができる。

１ 内燃機関
２ ハイブリッド過給機（過給機）
３ 補助ブロア（ブロア）
４ 燃焼室
８ バーナー部
１０ 脱硝装置（脱硝部）

Claims (5)

1. 空気を送風するブロアと、
   該ブロアが送風した空気と燃料とを燃焼して駆動力を生じるとともに、排気ガスを排出する燃焼室と、
   該燃焼室から排出された排気ガスに駆動される過給機と、
   該過給機から排出された排気ガス中の窒素酸化物を還元する触媒を有する脱硝部と、
   前記燃焼室と前記過給機との間に設けられ、該過給機に導かれる排気ガスに燃料を噴射して燃焼させるバーナー部と、を備える脱硝部付き内燃機関において、
   該内燃機関の起動前に、前記ブロアによって送風された空気が前記燃焼室から燃焼空気として導出される脱硝部付き内燃機関。
2. 前記バーナー部は、前記内燃機関の運転時に燃料を噴射する主バーナーと、前記内燃機関の起動前に燃料を噴射する補助バーナーと、を備える請求項１に記載の脱硝部付き内燃機関。
3. 前記バーナー部には、前記脱硝装置の下流側の排気ガスの温度に基づいて燃料の流量が供給される請求項１または請求項２に記載の脱硝部付き内燃機関。
4. 請求項１から請求項３のいずれかに記載の脱硝部付き内燃機関を備える船舶。
5. 前記補助バーナーには、燃料を噴霧するための空気として船内の雑用空気が供給される請求項４に記載の船舶。
   

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