JP2014077446A - 内燃機関 - Google Patents

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Abstract

【課題】新たなタイプの内燃機関を創造すること。
【解決手段】排気ターボ過給機と排出制御装置とを有する内燃機関(１０)、特に重質燃料油を用いて動作する船舶用ディーゼル内燃機関は、排気ターボ過給機が１つまたは複数の排気ターボチャージャ(１１)を含み、排出制御装置がSCR触媒コンバータ(１４)を含んでおり、SCR触媒コンバータは少なくとも２つのSCR触媒コンバータの段階(１５、１６)を含み、第１のSCR触媒コンバータの段階(１５)が、排気の流れの方向から見て排気ターボチャージャ(１１)のタービン(１２)の上流に配置され、第２のSCR触媒コンバータの段階(１６)が、排気の流れの方向から見て排気ターボチャージャ(１１)のタービン(１２)の下流に配置されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、請求項１および請求項９のプリアンブルに記載の内燃機関に関する。
ドイツ特許出願公開第102004027593号から、排気ターボ過給機および排出制御装置を備える内燃機関が既知である。この先行技術に係る排気ターボ過給機は、１つの排気ターボチャージャまたは２つの排気ターボチャージャを有する１段式または２段式の排気ターボ過給機として具現化される。排出制御装置は、SCR触媒コンバータを含み、１段式の排気ターボ過給機の場合には、排気の流れの方向から見て、排気ターボチャージャのタービンの下流または排気ターボチャージャのタービンの上流に配置されている。高圧の排気ターボチャージャと低圧の排気ターボチャージャとを有する２段式の排気ターボ過給機の場合には、SCR触媒コンバータは、高圧の排気ターボチャージャの高圧のタービンと低圧の排気ターボチャージャの低圧のタービンとの間に配置されている。
ドイツ特許出願公開第１０２００４０２７５９３号
この現状から出発して、本発明は新たなタイプの内燃機関を創造するという目的に基づいている。
この目的は、請求項１に係る内燃機関を通して解決される。すなわち、SCR触媒コンバータは、少なくとも２つのSCR触媒コンバータの段階(stage)を含み、第１のSCR触媒コンバータの段階は、排気の流れの方向から見て、排気ターボチャージャのタービンの上流に配置され、第２のSCR触媒コンバータの段階は、排気の流れの方向から見て、排気ターボチャージャのタービンの下流に配置される。SCR触媒コンバータが複数のSCR触媒コンバータの段階を含むことは、本発明によってここで初めて提案されるものである。この発明では、第１のSCR触媒コンバータの段階は、排気の流れの方向から見て排気ターボチャージャのタービンの上流に配置され、第２のSCR触媒コンバータの段階は、排気の流れの方向から見て排気ターボチャージャのタービンの下流に配置される。これにより、SCR触媒コンバータを有する内燃機関の排出制御装置の効果を向上させることができる。選択的触媒還元(SCR)に必要な排気の中に導入される還元剤のいわゆる還元剤スリップは、特に第２のSCR触媒コンバータの段階の助けを得て最小化できる。
排気ターボ過給機が１段式の設計のものであり、単一の排気ターボチャージャを含む場合には、第１のSCR触媒コンバータの段階はその唯一の排気ターボチャージャのタービンの上流に配置され、第２のSCR触媒コンバータの段階はその唯一の排気ターボチャージャのタービンの下流に配置される。
排気ターボ過給機が２段式の設計のものであり、高圧の排気ターボチャージャと低圧の排気ターボチャージャとを含む場合には、第１のSCR触媒コンバータの段階は低圧の排気ターボチャージャの低圧のタービンの上流に配置され、第２のSCR触媒コンバータの段階は低圧の排気ターボチャージャの低圧のタービンの下流に配置される。
好適には、共通の還元剤噴射部が、両方のSCR触媒コンバータの段階のために設けられる。この共通の噴射部を使用することで、還元剤のためのミキシング部が省略され得る。ミキシングスルーが、排気ターボチャージャのタービン内において実行される。これにより、還元剤に関する最適なミキシングスルーが実現され得る。最終的に、いわゆる還元剤スリップのような還元剤の消費を低減させることができる。
本発明の好ましいさらなる展開は従属請求項と以下の説明とから得られる。本発明の例示的な実施形態を、図面を参照してさらに詳細に説明するが、これに限定するものではない。
本発明の第１の例示的な実施形態に係るターボ過給された内燃機関の概略図である。 本発明の第２の例示的な実施形態に係るターボ過給された内燃機関の概略図である。
ここで提示する発明は、内燃機関、特に重質燃料油を用いて動作する船舶用ディーゼル内燃機関に関する。
図１は本発明に係る１段式の排気ターボ過給機を用いる内燃機関１０の第１の例示的な実施形態を示し、従って、単一の排気ターボチャージャ１１を含む。内燃機関を出る排気は、排気ターボチャージャ１１のタービン１２を膨張させるために供給され得、この過程で抽出されるエネルギーは、排気ターボチャージャ１１のコンプレッサ１３を駆動するため、および内燃機関１０に供給されるべき給気を圧縮するために利用される。
本発明に係る内燃機関は、少なくとも２つのSCR触媒コンバータの段階１５と１６とを有するSCR触媒コンバータ１４を含む。
第１の触媒コンバータの段階１５は、排気の流れの方向から見て、排気ターボチャージャ１１のタービン１２の上流に配置され、第２のSCR触媒コンバータの段階１６は、排気の流れの方向から見て、排気ターボチャージャ１１のタービン１２の下流に配置される。SCR触媒コンバータ１４の両方のSCR触媒コンバータの段階１５と１６とのために、共通の還元剤噴射部１７が存在し、この共通の還元剤噴射部１７は、第１のSCR触媒コンバータの段階１５の上流の排気の中に還元剤を噴射する。図１は還元剤、特にアンモニアを供給または生成する装置１８を示す。
SCR触媒コンバータ１４が２つのSCR触媒コンバータの段階１５と１６とに分離され、第１のSCR触媒コンバータの段階１５が排気ターボチャージャ１１のタービン１２の上流に配置され、第２のSCR触媒コンバータの段階１６が排気ターボチャージャ１１のタービン１２の下流に配置されることで、いわゆるレスポンスの挙動が改善され得る。共通の噴射部１７を、流れの方向において排気ターボチャージャ１１の前でかつ第１の触媒コンバータの段階１５の前に配置することで、排気マニホールド内の高い排気温度に起因する還元剤の蒸発の親和性(evaporation affinity)が、触媒コンバータの段階１５内の第１のNOx(窒素酸化物)浄化に関して増大する。未浄化のアンモニアは後にタービン１２内できちんと混合され、第２の触媒コンバータの段階１６内の窒素酸化物を低減させる。
これにより、内燃機関１０のために必要とされる設置用スペースを低減できる。排気ターボチャージャ１１内、すなわち排気ターボチャージャのタービン１２内における還元剤を用いた排気のミキシングスルーを通じて、還元剤と排気との最適なミキシングスルーが実現可能であり、またこれにより、還元剤の消費およびいわゆる還元剤のスリップを最小化できる。排気ターボチャージャ１１のタービン１２の上流に配置された第１のSCR触媒コンバータの段階１５は、急速に動作温度へと昇温され得、その結果、SCR触媒コンバータ１４の第１のSCR触媒コンバータの段階１５が良好なレスポンスの挙動を持つ。特に、内燃機関１０の部分負荷運転において、多段のSCR触媒コンバータ１４を介して最適な排出制御装置が実現可能である。
SCR触媒コンバータ１４の第１のSCR触媒コンバータの段階１５のハウジング内には、排出制御装置の酸化触媒コンバータおよび/または粒子フィルタが統合されてもよい。
図２は、２段式の排気ターボ過給機を備える内燃機関１０の有利な構成を示すものであり、従って２つの排気ターボチャージャ１１ａと１１ｂ、すなわち高圧の排気ターボチャージャ１１ａと低圧の排気ターボチャージャ１１ｂとを含んでいる。高圧の排気ターボチャージャ１１ａは、高圧のタービン１２ａと高圧のコンプレッサ１３ａとを含む。低圧の排気ターボチャージャ１１ｂは、低圧のタービン１２ｂと低圧のコンプレッサ１３ｂとを含む。
図２の２段式の排気ターボ過給機を備える内燃機関１０は、第１のSCR触媒コンバータの段階１５と第２のSCR触媒コンバータの段階１６とを有する多段のSCR触媒コンバータ１４をさらに含み、図２に従えば、第１のSCR触媒コンバータの段階１５は、低圧の排気ターボチャージャ１１ｂの低圧のタービン１２ｂの上流に配置され、第２のSCR触媒コンバータの段階１６は、低圧の排気ターボチャージャ１１ｂの低圧のタービン１２ｂの下流に配置される。
ここで、図２に示すSCR触媒コンバータ１４の第１のSCR触媒コンバータの段階１５は、高圧の排気ターボチャージャ１１ａの高圧のタービン１２ａの下流に配置されており、すなわち２つの排気ターボチャージャ１１ａと１１ｂの２つのタービン１２ａと１２ｂとの間に接続されている。
次に、図２の例示的な実施形態においては、両方のSCR触媒コンバータの段階１５と１６のための共通の還元剤噴射部１７も存在し、その還元剤は装置１８によって供給または生成される。
図１および図２に示す例示的な実施形態において、還元剤は共通の還元剤噴射部１７を介して排気の中に噴射されるが、各場合において、第１のSCR触媒コンバータの段階１５の直ぐ上流で噴射される。
排気内への還元剤の噴射は、各場合において、SCR触媒コンバータ１４の第１のSCR触媒コンバータの段階１５に基づいて超化学量論的に(over-stoichiometrically)行われる。
別の図に示してはいないが、第１のSCR触媒コンバータの段階１５を、高圧の排気ターボチャージャ１１aの高圧のタービン１２ａに対して上流に配置してもよい。その場合、SCR触媒コンバータ１４の第２のSCR触媒コンバータの段階１６は、図２に示すように、低圧の排気ターボチャージャ１１ｂの低圧のタービン１２ｂの下流に配置されてもよく、または代替的に、２つの排気ターボチャージャ１１ａと１１ｂの２つのタービン１２ａと１２ｂとの間に接続されてもよい。
図２の例示的な実施形態において３つのSCR触媒コンバータの段階が存在することも同様に可能である。すなわち、２つのSCR触媒コンバータの段階１５と１６に加えて、図示しないさらなるSCR触媒コンバータの段階が高圧のタービン１２ａの上流に配置され、このとき共通の還元剤噴射部１７は、図示しないこの追加的なSCR触媒コンバータの段階の上流に配置される。
本発明に係る内燃機関を用いることで、全ての実施形態のバージョンにおいて種々の利点を達成することができる。還元剤の共通の噴射部を通じて、第２の触媒コンバータの段階のための分離されたミキシング部を省略することができ、設置用スペースを低減できる。排気ターボチャージャのタービン内における還元剤と排気とのミキシングスルーによって、最適な還元剤と排気とのミキシングスルーが実現され、その結果、還元剤の消費とスリップを低減できる。特に、第１のSCR触媒コンバータの段階は、還元剤により急速に動作温度へと昇温可能であるため、良好なレスポンスの挙動を有する。SCR触媒コンバータを予熱するための別の加熱装置を省略することができる。SCR触媒コンバータの設置容量が、全体的に低減可能となる。第１のSCR触媒コンバータの段階内の高い圧力レベルを通じて、SCR触媒コンバータの有効性が高まる。
第１のSCR触媒コンバータの段階１５のハウジング内に、酸化触媒コンバータと粒子フィルタとの両方を、各実施形態のバージョンにおいて統合することができる。
１０ 内燃機関
１１ 排気ターボチャージャ
１１ａ 排気ターボチャージャ
１１ｂ 排気ターボチャージャ
１２ タービン
１２ａ タービン
１２ｂ タービン
１３ コンプレッサ
１３ａ コンプレッサ
１３ｂ コンプレッサ
１４ SCR触媒コンバータ
１５ SCR触媒コンバータの段階
１６ SCR触媒コンバータの段階
１７ 還元剤噴射部
１８ 装置

Claims (7)

  1. 排気ターボ過給機と排出制御装置とを有する内燃機関、特に重質燃料油を用いて動作する船舶用ディーゼル内燃機関であって、前記排気ターボ過給機が１つまたは複数の排気ターボチャージャ（１１、１１ａ、１１ｂ）を含み、前記排出制御装置がSCR触媒コンバータ（１４）を含む内燃機関において、
    前記SCR触媒コンバータ（１４）は少なくとも２つのSCR触媒コンバータの段階（１５、１６）を含み、第１のSCR触媒コンバータの段階（１５）が、排気の流れの方向から見て排気ターボチャージャ（１１、１１ｂ）のタービン（１２、１２ｂ）の上流に配置され、第２のSCR触媒コンバータの段階（１６）が、排気の流れの方向から見て前記排気ターボチャージャ（１１、１１ｂ）の前記タービン（１２、１２ｂ）の下流に配置されることを特徴とする、内燃機関。
  2. 前記排気ターボ過給機が１段式の設計のものであって単一の排気ターボチャージャ（１１）を含み、前記第１のSCR触媒コンバータの段階（１５）が前記排気ターボチャージャ（１１）の前記タービン（１２）の上流に配置され、前記第２のSCR触媒コンバータの段階（１６）が前記排気ターボチャージャ（１１）の前記タービン（１２）の下流に配置されていることを特徴とする、請求項１に記載の内燃機関。
  3. 前記排気ターボ過給機が２段式の設計のものであり、高圧の排気ターボチャージャ（１１ａ）と低圧の排気ターボチャージャ（１１ｂ）とを含み、前記第１のSCR触媒コンバータの段階（１５）が前記低圧の排気ターボチャージャ（１１ｂ）の低圧の前記タービン（１２ｂ）の上流に配置され、前記第２のSCR触媒コンバータの段階（１６）が前記低圧の排気ターボチャージャ（１１ｂ）の低圧の前記タービン（１２ｂ）の下流に配置されていることを特徴とする、請求項１に記載の内燃機関。
  4. 前記第１のSCR触媒コンバータの段階（１５）が、前記高圧の排気ターボチャージャ（１１ａ）の高圧の前記タービン（１２ａ）の下流に配置されていることを特徴とする、請求項２に記載の内燃機関。
  5. 共通の還元剤噴射部（１７）が、両方の前記SCR触媒コンバータの段階（１５、１６）のために設けられていることを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載の内燃機関。
  6. 前記共通の還元剤噴射部（１７）が、前記第１のSCR触媒コンバータの段階（１５）の上流の排気の中に還元剤を噴射することを特徴とする、請求項５に記載の内燃機関。
  7. 前記共通の還元剤噴射部（１７）が、前記第１のSCR触媒コンバータの段階（１５）に基づいて、排気の中に還元剤を超化学量論的に噴射することを特徴とする、請求項５または６に記載の内燃機関。
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