JP4592816B2 - Ｓｃｒ反応器を備える大型ターボ過給型ディーゼルエンジン - Google Patents

Description

本発明は、船舶のメインエンジンのような大型ターボ過給型ディーゼルエンジンであって、排気ガスからNO_xを浄化するための選択的触媒還元（Selective Catalytic Reduction; SCR）反応器を装備する大型ターボ過給型ディーゼルエンジンに関する。

環境問題に関する一般の認識は、急速に高まりつつある。国際海洋機構（International Maritime Organisation; IMO）において、海上における大気汚染という形の排出抑制に関して継続的に議論されている。世界の様々な各地における当局は、同様の措置をとっている。例として、審議中の、米国環境保護庁（Environmental Protection Agency; EPA）法案が挙げられる。

排気ガス中のNO_xは、１次的還元方法および/または２次的還元方法によって還元可能である。１次的方法は、エンジン燃焼プロセスに直接影響を及ぼす方法である。実際の還元の程度は、エンジン型および還元方法に依存するが、10%から50%を上回る程度まで変動する。２次的方法は、エンジン自体の一部ではない設備を使用して、エンジン性能をその燃料最適化設定から変更せずに排出レベルを減少させる手段である。現在までの最も有効な２次的方法は、NO_xを除去する選択的触媒還元（Selective Catalytic Reduction; ＳＣＲ）方法である。この方法により、触媒コンバータに入る前にアンモニアまたは尿素を排気ガスに添加することによって、NO_xレベルを95%以上減少させることが可能になる。

ＳＣＲ反応器は、いくつかの層の触媒を有する。触媒容積、ひいては反応器のサイズは、触媒の活性、つまり必要とされるNO_x還元のレベルに依存する。触媒の構造は典型的にはモノリシック構造、つまり、壁面に触媒活性を有するチャネルが多数並列配置される触媒ブロック構造を有する。

排気ガスの温度は、燃料の硫黄含有量に依存して、少なくとも280℃〜350℃であるはずである。NO_xをN₂およびH₂Oへ効果的に変換するためには、ＳＣＲ反応器の入口において、硫黄含有量が高い場合は温度が高いことが必要とされ、硫黄含有量が低い場合は温度が低くてもよい。

典型的には、ターボ過給機のタービンの高圧側における排気ガスは、約350℃〜450℃の温度を有し、一方、ターボ過給機のタービンの低圧側における排気ガスは、約250〜300℃の温度を有する。

このため、HFOで動作する既知の大型２サイクルディーゼルエンジンにおいては、ターボ過給機のタービンの高圧側にＳＣＲ反応器が装備されている。しかしながら、これらの反応器が、約４バールの圧力に耐えられることが求められ、かつ約20℃から400℃の間の温度変化に曝されなければならない超大型のパイプおよび容器を含むことから、タービンの高圧側におけるＳＣＲ反応器の構造は、かなり複雑になっている。熱膨張および熱固定によって、設計上大きな問題が生じている。

これらの問題を回避するために、ターボ過給機のタービンの低圧側にＳＣＲ反応器を移動するという提案がある。

複合サイクル運転を備える全体的な燃料効率が高い最先端のエンジンシステム、いわゆる、「ホット（高温）」エンジンは、ターボ過給機のタービンの低圧側における排気ガス温度が、従来のエンジンの250℃とは対照的に、約290℃〜300℃となる。「ホット」エンジンにおける排気ガス温度の上昇は、排気弁の開放のタイミングおよびターボ過給機の整合性を変更することによって得られている。この変更によって、エンジン自体の効率は約50%から約48.7%に低下する。エンジン効率低下を補償するために、排気ガス加熱式蒸気ボイラを利用して、ターボ過給機タービンの下流またはＳＣＲ反応器の下流に設けられる蒸気タービンを駆動し、排気ガス中のエネルギーの一部を回復しようとすることが知られている。排気ガスボイラで提供された蒸気で駆動された蒸気発生器によって生成されるエネルギー量は、クランク軸におけるエンジン出力の約7.7%である。さらに、ターボ過給機のタービンは、排気ガスがさらに加熱されると、有意にさらに多くのエネルギーを受ける。しかしながら、ターボ過給機は、追加のエネルギーを必要としない。高圧側における排気ガスの追加のエネルギーは、「ホット」エンジン概念の内にあり、利用もされる。この利用は、トランスミッションを介してターボ過給器の軸を発電器に接続することによって、またはターボ過給機タービンの高圧側における排気ガスの一部を分岐して、分岐した排気ガスの部分を使用し、発電器に接続されるパワータービン（ガスタービン）を駆動することによって実現される。パワータービンによって駆動される発電器によって生成されるエネルギー量は、クランク軸におけるエンジン出力の約4.4%である。したがって、「ホット」エンジンの全体的な燃料効率は、
48.7 + ((7.7+4.4) * 0.487) = 54.6%
となる。

しかしながら、「ホット」エンジンであっても、排気ガスの温度は、タービンの低圧側にＳＣＲ反応器を配置するには不十分である。ターボ過給機のタービンの低圧側にＳＣＲ反応器を配置可能にするためには、タービンから出る排気ガスの温度を、290℃〜300℃から約330℃に上昇させなければならない。これは、バーナー等の加熱ユニットによって実現され得る。しかしながら、バーナーによって温度を40℃上昇させるには、エンジンの全体的な燃料消費量が4.6%増加する（増加した4.6%分の燃料が、加熱ユニットにおいて燃焼される）。この追加エネルギーの一部は、ＳＣＲ反応器の下流にある排気ガス加熱式ボイラおよび蒸気タービンにおいて約25%の効率で回復可能である。ターボ過給機タービンの低圧側における排気ガス温度の上昇により、蒸気タービンの出力は、エンジン出力の7.7%から10.8%に上昇する（蒸気タービンの効率は、27.9%である）。下流ＳＣＲ反応器を有するシステムの全体効率は、
(48.7 + ((10.8+4.4) * 0.487)) / 1.046 = 53.6%
となる。

したがって、全体的な燃料効率はターボ過給機タービンの高圧側におけるＳＣＲ反応器と比べて、54.6%から53.5%に下降する。燃料効率のこのような低下は、非常に望ましくなく、近年における燃料効率の進歩の大部分が無効になってしまう。

したがって、本発明の目的は、高燃料効率で、ターボ過給機のタービンの低圧側にＳＣＲ反応器を有する大型２サイクルディーゼルエンジンを提供することにある。本目的は、請求項１に記載の大型２サイクルディーゼルエンジン、すなわち、給気をシリンダに供給するターボ過給機であって、排気ガス駆動式タービン（6）および前記タービンにより駆動されるコンプレッサ（9）を備えるターボ過給機と；前記シリンダから前記タービン（6）の入口に排気ガスを導く第１の排気管（5）と；流入する排気ガスが所定の温度以上であれば該排気ガス中のNO_xをN₂およびH₂Oに効率的に還元するＳＣＲ変換器又はＳＣＲ反応器（20）と；前記タービン（6）の出口から前記ＳＣＲ変換器（20）の入口に排気ガスを導く第２の排気管（7）と；前記ＳＣＲ変換器（20）の出口からさらに大気中へと排気ガスを導く第３の排気管（22）と；を備える大型２サイクルターボ過給型ディーゼルエンジン（1）であって、前記ＳＣＲ変換器（20）の前記入口において排気ガスを少なくとも前記所定温度とするべく前記タービン（6）の上流で排気ガスを加熱する加熱ユニット（19）を備え、さらに、前記加熱ユニット（19）の下流であるが、前記タービン（6）の上流の地点において前記第１の排気管（5）から分岐される排気ガスによって駆動されるパワータービン（31）、または、前記ターボ過給機の軸（8）からの機械的動力取出装置を備えることを特徴とする、大型ターボ過給型ディーゼルエンジンによって、達成される。

ターボ過給機のタービンの高圧側に加熱ユニットを配置する場合、ＳＣＲ反応器の入口において必要な排気ガス温度を達成するために、5.9%の燃料消費の増加が必要となるが、一方、ターボ過給機のタービンの低圧側に加熱ユニットを配置する場合、必要とされる燃料消費の増加は4.6%のみである。ところが本発明者は、ＳＣＲ変換器の入口に近い、直感的には論理的に正しいと思われる下流の位置ではなく、タービンの上流に加熱ユニットを配置することによって、全体的な燃料効率を改善可能であるという洞察に達した。これは、たとえ加熱ユニットが必要とする燃料の量が増加するにしても、タービンの高圧側における排気管から分岐される排気ガスによって駆動されるパワータービンにおいて、排気ガスの温度を上昇させるために用いたエネルギーを100%の効率で回復可能であるとの洞察からである。

好ましくは、ＳＣＲ反応器の下流の排気管に配置される排気ガスボイラを備え、また、エンジンは、前記排気ガスボイラによって生成される蒸気によって駆動される蒸気タービンをさらに備えてもよく、これによって全体的な燃料効率がさらに増加する。

好ましくは、パワータービンまたは機械動力取出装置を使用して、発電機を駆動する。

エンジンは、パワータービンによって、またはターボ過給機の軸からの動力取出装置によって駆動される発電機をさらに備えてもよい。

前記加熱ユニットは、バーナーであることが可能である。

タービンの高圧側における排気ガスの潜在的膨張エネルギーの約20%は、タービンから転換または誘導される。

好ましくは、バーナーの作動および/または強さは、ＳＣＲ反応器の入口の温度センサ、またはその入口より上流の温度センサに応答して、コントローラによって制御される。

上記大型ターボ過給型ディーゼルエンジンに関するさらなる目的、特徴、利点、および特性は、詳細な説明より明らかになるであろう。

本説明の以下の詳細な部分において、図示される例示的実施形態を参照して、本発明についてより詳細に説明する。
本発明の第１の実施形態に従う内燃エンジンの吸気システムおよび排気システムの図を示す。 本発明の第２の実施形態に従う内燃エンジンの吸気システムおよび排気システムの図を示す。

詳細な説明

以下の詳細な説明において、本発明は、好適な実施形態によって説明される。図１は、クロスヘッド型大型ターボ過給型２サイクルディーゼルエンジン１を示し、これは、吸気システムおよび排気システムを備える。エンジン１は、給気受け２および排気ガス受け３を有する。燃焼室に属する排気弁は、４によって示される。エンジン１は、例えば、外航船のメインエンジンとして、または発電所の発電器を駆動するための固定エンジンとして使用され得る。エンジンの全出力は、例えば、5,000kWから110,000kWの範囲であるが、本発明は、例えば、1,000kWの出力を有する4サイクルディーゼルエンジンにおいても使用され得る。

給気は、給気受け２から個々のシリンダの掃気ポート（図示せず）へと導かれる。排気弁４が開放すると、排気ガスが、第１の排気管を通って排気受け３に流入し、さらに進んで、第１の排気管５からターボ過給機のタービン６へ流入し、そこから、排気ガスは、第２の排気管７を通って流出する。軸８によって、タービン６は、吸気口１０を介して供給されるコンプレッサ９を駆動する。コンプレッサ９は、給気受け２に通じる給気管１１に加圧給気を供給する。

管１１における吸気は、給気（約200℃でコンプレッサから出る給気）を30℃から80℃の間の温度に冷却するためにインタークーラー１２を通過する。

冷却された給気は、電気モータ１７によって駆動される、低負荷状態または部分負荷状態の給気流を加圧する補助ブロア１６を経由して、給気受け２へと導かれる。より高負荷状態では、ターボ過給機のコンプレッサ９が十分に圧縮された掃気を供給するので、補助ブロア１６は逆止め弁１５によってバイパスされる。

第１の排気管５における排気ガスの温度を上昇させるために、加熱ユニット１９が第１の排気管５に配置される。つまり、タービン６の上流に配置される。加熱ユニット１９は、好ましくはバーナー等の加熱ユニットの形式である。第１の排気ガス管５における排気ガスは、ターボ過給機のタービン６から出る排気ガスの温度が少なくとも330℃になるように加熱されなければならない。

タービン６を出る際の排気ガスが約290℃〜300℃である、大型２サイクルディーゼル「ホット」エンジンでは、第１の排気管５における排気ガスに加えられる温度上昇は、約５０℃である。この大型２サイクルディーゼルエンジンにおいて、ターボ過給機タービンの高圧側で排気ガスを加熱するための加熱ユニット１９によって使用される追加燃料の量は、エンジン自体の燃料消費の約5.8%である。

ターボ過給機のタービンを出る際の排気ガス温度が約250℃である従来の大型２サイクルディーゼルエンジンでは、第１の排気管５における排気ガスの温度上昇は、約100℃でなければならない。

管３０は、加熱ユニット１９の下流であるが、タービン６の上流である排気管５から分岐する。管３０は、排気ガスの一部（大型２サイクルディーゼルエンジンにおける約20%）を追加のパワータービン３１に導く。追加のパワータービン３１は発電機３２を駆動する。パワータービン３１は、大型２サイクルディーゼルエンジン１の出力の7.0%にほぼ相当する出力を有する。

このようにして、排気ガス流動における余剰エネルギーは、電力、つまり高エクセルギーを有するエネルギーに変換される。パワータービン３１に分岐される排気ガスの量は、管３０における変流量調節器（図示せず）によって調節可能である。パワータービン３１を出る排気ガスは、ＳＣＲ反応器の上流におけるタービン６の低圧側において主要排気ガス流に再び導かれる。

第２の排気管７は、タービン６の出口からＳＣＲ反応器２０の入口へと排気ガスを導く。ＳＣＲ反応器２０の入口における排気ガスの温度が十分に高い場合、つまり、典型的には約330℃を上回る場合、排気ガス中のNO_xは、N₂およびH₂Oに変換される。

第３の排気管２２は、ＳＣＲ反応器２０の出口からボイラ２５の入口に給気を導く。第４の排気管２７は、ボイラ２５の出口からサイレンサー２８の入口へと排気ガスを導く。第５の排気管２９は、サイレンサー２８の出口から大気へと排気ガスを導く。

ボイラ２５は、排気ガス流における熱を使用して、圧力下で（過熱）蒸気を生成する。管３４は、ボイラ２５によって生成された蒸気を蒸気タービン３７に導く。蒸気タービン３７は発電機３５を駆動する。蒸気タービンは、大型２サイクルディーゼルエンジンの出力の約10.8%に相当する出力パワーを有する。

図２は、本発明の代替実施形態を示す。本実施形態は、パワータービンが、ターボ過給機からの動力取出装置と置換されること以外は、第１の実施形態に実質的に対応する。ここで、トランスミッション３６は、ターボ過給機の軸８を発電機３３に接続する。

大型２サイクルディーゼルエンジン１の燃料効率は、48.7%である。両実施形態における全体的な燃料効率は、
(48.7 + ((10.8+7.0) * 0.487)) / 1.058 = 54.2%
となる。

タービン６の高圧側に加熱ユニット１９を備える本発明に従うエンジンは、タービン６の低圧側に加熱ユニットを備え、かつ燃料効率が５３．６％である背景技術に記載したエンジンよりも明らかに高い、５４．２％の燃料効率を有する。
〔実施例〕

１．高圧側にＳＣＲを有する高温エンジン（従来技術）
２．ターボ過給機タービンの低圧側にバーナーを設置
３．ターボ過給機タービンの高圧側にバーナーを設置

したがって、ターボ過給機タービンの高圧側にＳＣＲ反応器を設置するという、実装において構造上多くの問題を有する「ホット」エンジンに比べて少しだけの燃料効率の低下を受け入れるだけで、ターボ過給機タービン６の低圧側にＳＣＲ反応器を設置するという構造上の利点を享受することが可能となる。

本発明の両実施形態において、ボイラ２５によって生成される蒸気は、加熱など、蒸気タービンを駆動する以外の目的で使用され得る。

各々の実施形態には、第２の排気管７における排気ガスの温度を測定するために、ＳＣＲ反応器２０の入口近傍に配置される温度センサ（図示せず）が設けられることが可能である。温度センサの信号は、コントローラ（図示せず）に通信される。コントローラは加熱ユニット１９を制御する。コントローラは、第２の排気ガス管７における排気ガスの温度が十分高くない場合は、加熱ユニット１９の働きを活発にし、第２の排気ガス管７における排気ガスの温度が、ＳＣＲ反応器の効率的な動作に関する最低温度を上回る場合には、加熱ユニット１９の働きを低下させる。

両実施形態は、いわゆる加湿空気エンジン（図示せず）、例えば、非常に高い絶対水分（蒸気）含有量を有する給気／掃気で動作するエンジンとして構成可能である。本発明の本変形例において、給気温は、（従来のエンジンにおける37℃とは対照的に）約60℃から90℃とされ、絶対湿度は、約40g/kgから80g/kg、つまり「非加湿空気」モータの水分（蒸気）含有量の約４倍から８倍とされる。加湿はスクラバー（図示せず）に比較的温かい水を注入することによって行うことができる。加湿によって、給気/掃気のエネルギー含有量、ひいては排気ガスのエネルギー含有量が、著しく増加する。給気中のエネルギーの増加は、次の２つの原因により得られる。
・ インタークーラーによって給気/掃気から差し引かれるエネルギー量、つまり、インタークーラーによって生成される「廃」エネルギーの量を減少させることによって。
・ エンジンの冷却システムからの湯で温められた水分を注入する、つまり、「廃エネルギー」を含有する水分を注入することによって。

排気ガス中に増えたエネルギーは、パワータービンにおいて比較的効率的に回復可能であり、これによって、上述の実施例に示される全体的な燃料効率よりもさらに高い効率を得ることが可能である。

請求項において使用される用語の「備える」は、その他の要素またはステップを除外しない。請求項における単数形の用語は、複数形を除外しない。請求項で使用される引用符号は、範囲を限定するものとして解釈されないものとする。

以上、装置および方法に関する好適な実施形態について、これらが開発された環境を参照して説明してきたが、これらは、本発明の原理を単に例証しているだけではない。他の実施形態又は構成が、本発明の精神および添付の請求項の範囲を逸脱することなく作られるであろう。

Claims (7)

1. 給気をシリンダに供給するターボ過給機（７）であって、排気ガス駆動式タービン（６）および前記タービンにより駆動されるコンプレッサ（９）を備えるターボ過給機（７）と、
   前記シリンダから前記タービン（６）の入口に排気ガスを導く第１の排気管（５）と、
   流入する排気ガスが所定の温度以上であれば該排気ガス中のNO_xをN₂およびH₂Oに効率的に還元するＳＣＲ変換器（２０）と、
   前記タービン（６）の出口から前記ＳＣＲ変換器（２０）の入口に排気ガスを導く第２の排気管（７）と、
   前記ＳＣＲ変換器（２０）の出口からさらに大気中へと排気ガスを導く第３の排気管（２２）と、
   給気受け（２）と、
   前記コンプレッサ（９）から前記給気受け（２）へと給気を導く給気管（１１）と、
   前記給気管（１１）内に設けられ、給気を加圧しうるように構成される補助ブロア（１６）と、
   前記補助ブロワ（１６）から給気をバイパスさせうるように、前記給気管（１１）内に設けられる逆止め弁（１５）と、
   を備えるクロスヘッド式大型２サイクルターボ過給型ディーゼルエンジン（１）であって、
   前記ＳＣＲ変換器（２０）の前記入口において排気ガスを少なくとも前記所定温度とするべく、前記エンジン（１）の下流且つ前記タービン（６）の上流で排気ガスを加熱する加熱ユニット（１９）を備え、さらに、
   ・ 前記加熱ユニット（１９）の下流であるが、前記タービン（６）の上流の地点において前記第１の排気管（５）から分岐される排気ガスによって駆動されるパワータービン（３１）、または、
   ・ 前記ターボ過給機の軸（８）からの機械的動力取出装置、
   を備えることを特徴とする、エンジン。
2. 前記ＳＣＲ変換器（２０）の下流の前記排気管に配される排気ガスボイラ（２５）をさらに備える、請求項１に記載のエンジン。
3. 前記排気ガスボイラ（２５）によって生成される蒸気によって駆動される蒸気タービン（３７）をさらに備える、請求項２に記載のエンジン。
4. 前記パワータービン（３１）によって、または前記ターボ過給機の前記軸（８）からの前記動力取出装置によって駆動される発電機（３２）をさらに備える、請求項１に記載のエンジン。
5. 前記加熱ユニット（１９）はバーナーである、請求項１に記載のエンジン。
6. 前記タービン（６）の高圧側における排気ガスの潜在的膨張エネルギーの約２０％は、前記タービンから転換または誘導される、請求項１に記載のエンジン。
7. 前記バーナーの作動および／または強さは、前記ＳＣＲ変換器（２０）の入口の温度センサ、またはその入口より上流の温度センサに応答して、コントローラによって制御される、請求項５に記載のエンジン。

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