JP5357720B2 - 排気ガス処理装置が搭載された船舶 - Google Patents

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Description

本発明は、過給機を設けたディーゼル機関、特に舶用ディーゼル機関の排気ガス中のＮＯＸ量低減に適用されて好適な排気ガス処理装置が搭載された船舶に関する。
ディーゼル機関は、ガソリン機関よりも燃費に優れていることから、輸送業界などで舶用、自動車用などに広く用いられている。しかし、排気ガス中に含まれている未燃焼燃料などの粒子状物質（ＰＭ；Ｐａｔｉｃｕｌａｔｅ Ｍａｔｔｅｒ）や、窒素酸化物として知られているＮＯＸ（ＮＯ、ＮＯ２等）などが問題になっている。そこで、排気ガスからこのＮＯＸを除去するための手段として、尿素水の加水分解によって得られたアンモニアガスにより、排気ガス中に含まれるＮＯＸを触媒上で還元して除去する方法が知られている。この方法は、ＳＣＲ（Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ Ｃａｔａｌｙｔｉｃ Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ；選択性還元触媒）システムとして知られている。
特許文献１には、このＳＣＲシステムが開示されている。このＳＣＲシステムは、排気経路中の前段側において、ディーゼル機関の排気ガス中のＰＭと気体状の炭化水素成分とを取り除いた後、排ガス経路の後段側に設けられたＳＣＲ触媒上でアンモニアガスとＮＯＸとを反応させることによって、ＮＯＸを還元して窒素と水とに変換するものである。
図７に、舶用ディーゼル機関１００の吸排気装置を模式的に示す。図７において、シリンダ１０２のシリンダヘッド１０２ａの内部に排気弁１０４が設けられ、シリンダヘッド１０２ａには排気管１０６が接続されている。排気管１０６には過給機１１０のタービン１１２が設けられ、タービン１１２は、シリンダヘッド１０２ａから排気された排気ガスｅにより回転駆動される。過給機１１０のコンプレッサ１１４は、タービン１１２と伝達軸１１６を介して一体に接続され、タービン１１２と共に回転する。
コンプレッサ１１４が回転して被圧縮空気ａを取り込み、被圧縮空気ａを圧縮する。コンプレッサ１１４で圧縮された空気は、インタクーラ１０８で冷却された後、吸気集合管１１３を介してシリンダ１２に供給される。シリンダ１０２には、圧縮空気と共に燃料（例えばＣ重油など）が噴射され、図示省略のピストンで圧縮されて発生した圧縮熱で着火し、該ピストンを駆動する。なお、図７中の温度値は、排気管１０６又は１１８の排気ガス温度を示す。
前記ＳＣＲシステムを構成するＳＣＲ触媒を内蔵したＳＣＲ触媒コンバータは、通常、タービン１１２の下流側の排気管１１８に設けられる。
ＳＣＲ触媒コンバータをタービン下流側排気管１１８に設けた場合、ＳＣＲ触媒コンバータ２８に流入する排気ガスの温度が２５０℃程度と低く、ＳＣＲ触媒が正常に触媒機能を発揮できる温度である３２０℃程度に達しない。そのため、ＳＣＲ触媒が正常に触媒機能を発揮できないという問題がある。
これを解消するため、４００℃程度の排気ガス温度を有するタービン上流側の排気管１０６にＳＣＲ触媒コンバータを配置することが考えられる。しかし、ＳＣＲ触媒コンバータを排気管１０６に設けた場合、タービン１１２に供給されるべき熱を熱容量が大きいＳＣＲ触媒が奪ってしまうため、舶用ディーゼル機関１００の過度特性が悪化するおそれがある。
そこで、自動車の内燃機関や船用ディーゼル機関等では、別なＮＯＸ低減手段として、排ガス再循環（ＥＧＲ；Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）方式が行なわれている。この方法は、排気側から排ガスの一部（ＥＧＲガス）を分岐させて吸気側へと戻し、吸気側に戻された排ガスでシリンダ内の燃焼を抑制し、燃焼温度を下げることにより、ＮＯＸの発生を低減するものである。このＥＧＲシステムでは、排気ガスをシリンダ又は吸気経路に円滑に導入するためには、排気ガス圧をシリンダ内又は吸気経路内の吸気圧より若干高く（昇圧）する必要がある。
特許文献２には、このＥＧＲガスを吸気管に向けて良好に再循環させるための手段が開示されている。特許文献２に開示された手段は、過給機とＥＧＲシステムを備えた自動車の内燃機関等において、過給機に該過給機のタービンと回転軸を共有する発電機を付設したものである。この発電機の作動が抵抗となって該回転軸にブレーキ（制動トルク）がかかる。これによりタービン側での排気ガス通気抵抗を増大させるので、タービン上流側の排気マニホールドにおける排気圧を高め、吸気管への排気ガスの再循環を良好にしようとするものである。
特許文献３には、ＥＧＲシステムを備えた過給機付き内燃機関において、ＥＧＲガスを吸気管に循環する循環管に気体圧縮機等の送風手段を設け、該送風手段により循環路を流れるＥＧＲガスを圧送して、ＥＧＲガスの循環量を増大させるようにした手段が開示されている。
特開２００９−２０９８９６号公報 特開２００２−２６６６４９号公報 特開２００５−１８８３５９号公報
特許文献２に開示されたＥＧＲシステムでは、発電機によるブレーキ（制動トルク）効果に頼っているので、吸気管へ循環する排気ガスの圧力増大はあまり期待できない。また、発電機のブレーキ効果が排気ガスによるタービンの駆動効率を低下させるという問題がある。
特許文献３に開示されたＥＧＲシステムは、気体圧縮機等の送風手段を駆動する動力を必要とし、省エネ及びＣＯ２削減が求められている昨今の趨勢に逆行する。
本発明は、かかる従来技術の課題に鑑み、過給機を備えたディーゼル機関の排ガス中のＮＯＸをＥＧＲシステムを用いて除去する場合に、吸気管に循環する排気ガス量を増大可能にしてＮＯＸ低減効果を向上させると共に、動力消費量を抑制して、省エネ、ＣＯ２削減を達成することのできる排気ガス処理装置が搭載された船舶を提供することを目的とする。
かかる目的を達成するため、本発明の排気ガス処理装置が搭載された船舶は、過給機が設けられた舶用ディーゼル機関の排気ガスの一部を吸気経路に循環させる循環路を備え、該循環路を介して排気ガスの一部を吸気経路に循環させ、燃焼温度を低減してＮＯＸの発生を抑制するようにした排気ガス処理装置が搭載された船舶において、
コンプレッサとタービンとを連結した過給機の動力伝達軸に接続され該動力伝達軸から動力を得る動力取出し装置と、該動力取出し装置により駆動制御される、前記循環路に介設された送風機と、
前記循環路に設けたＥＧＲバルブの開度と送風機の駆動速度の制御を行うコントローラと、
舶用ディーゼル機関を搭載した船舶の航行位置を計測する位置計測装置とを備え、
該位置計測装置の計測により排気ガス規制値の異なる海域に近づいているときに、予め作成された目標ＥＧＲ率マップ及び前記送風機の必要電力マップに基づいて前記コントローラを制御して、対応する特定海域の、夫々の異なる排気ガス規制値を満たすように排気ガス処理装置を運転させるように構成したことを特徴とする。
本発明装置では、排気ガスの一部を吸気経路に循環する循環路に送風機を設け、前記動力取出し装置で該送風機を駆動するようにしているため、吸気経路に供給する排気ガスの圧力を容易に高くできる。そのため、排気ガスを設定量だけ確実に吸気経路に供給できるので、ＥＧＲシステムによるＮＯＸ低減を確実に達成できる。
また、該送風機を駆動する動力を過給機から得るようにしているので、該送風機を駆動するための特別の駆動装置を必要としない。そのため、省エネ及びＣＯ２削減に寄与できる。
本発明装置において、動力取出し装置が発電機であり、該発電機で得た電力により送風機を駆動するようにするとよい。これによって、該発電機で得た電力を導電線により送風機の駆動モータに供給できるので、動力伝達手段を簡素化かつ低コストにできると共に、伝達途中での動力損失を低減できる。
本発明装置において、動力取出し装置が、過給機の動力伝達軸の回転を送風機の駆動軸に伝達して該駆動軸を駆動する機械的動力伝達機構であるとよい。このように、動力伝達軸の回転を、例えば歯車や回転軸等の機械的動力伝達機構を用いて送風機に伝達することで、動力伝達軸の回転を確実に送風機の駆動軸に伝達できる。また、機械的動力伝達機構に増速装置や減速装置を介在させて、送風機を増速又は減速するのが容易になるので、排ガス経路に戻す排ガス量の調整が容易になる。
本発明装置において、ディーゼル機関の負荷と、該負荷に対応して必要な排気ガス循環量と、該排気ガス循環量に対応した送風機駆動速度との相関を示す相関マップを予め作成しておき、該相関マップに基づいて送風機駆動速度を制御するコントローラを備えるようにするとよい。これによって、ディーゼル機関の負荷に対応して、排気ガス中のＮＯＸ量低減のために最適の送風機駆動速度を選択できる。
本発明装置において、ディーゼル機関が舶用ディーゼル機関であり、該舶用ディーゼル機関を搭載した船舶の航行位置を計測する位置計測装置と、該位置計測装置により該船舶が排ガス規制海域に入ったことを検知した時に、前記コントローラで送風機駆動速度を制御するように構成するとよい。
これによって、船舶が排ガス規制海域を航行するときに、排ガス規制海域の排ガス規制値を満たす運転を行なうことができる。
本発明装置において、過給機のタービン下流側排ガス経路に選択性還元触媒を内蔵した触媒コンバータを設け、該下流側排ガス経路を通る排気ガス中のＮＯＸ除去を行なうようにするとよい。このように、ＥＧＲシステムとＳＣＲシステムとを併用することにより、排気ガス中のＮＯＸ排出量を極く微量に低減できるようになる。
本発明装置によれば、過給機が設けられたディーゼル機関の排気ガスの一部を吸気経路に循環させる循環路を備え、該循環路を介して排気ガスの一部を吸気経路に循環させ、燃焼温度を低減してＮＯＸの発生を抑制するようにした排気ガス処理装置において、循環路に介設された送風機と、コンプレッサとタービンとを連結した過給機の動力伝達軸に接続され該動力伝達軸から動力を得る動力取出し装置と、を備え、該動力取出し装置で取り出した動力で送風機を駆動して吸気経路に供給される排気ガスの圧力を吸気圧より高くするように構成したので、吸気経路に供給する排気ガスの圧力を容易に高くでき、そのため、排気ガスを確実に吸気経路に供給できるので、ＥＧＲシステムによるＮＯＸ低減を確実に達成できる。
また、該送風機を駆動する動力を過給機から得るようにしているので、該送風機を駆動するための特別の駆動装置を必要とせず、そのため、省エネ及びＣＯ２削減に寄与できる。
本発明装置の第１実施形態に係る舶用ディーゼル機関の排気系統を示す系統図である。 本発明装置の第２実施形態に係る舶用ディーゼル機関の排気系統を示す系統図である。 本発明装置の第３実施形態に係る舶用ディーゼル機関の排気系統を示す系統図である。 前記第３実施形態の操作手順を示すフローチャートである。 前記第３実施形態で、予め作成された機関負荷とＥＧＲ率との相関を示す相関マップである。 前記第３実施形態で、予め作成された機関負荷とブロア必要電力との相関を示す相関マップである。 舶用ディーゼル機関の排ガス系統を示す説明図である。
以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではない。
（実施形態１）
本発明を舶用ディーゼル機関に適用した第１実施形態を図１により説明する。図１に示す本実施形態の舶用ディーゼル機関１０Ａにおいて、シリンダ１２のシリンダヘッド１２ａの内側に排気弁１４が設けられ、シリンダヘッド１２ａには排気管１６が接続されている。排気管１６には過給機２０を構成するタービン２２が設けられている。タービン２２は、シリンダヘッド１２ａから排気された排気ガスｅにより回転駆動される。過給機２０のコンプレッサ２４は、タービン２２と伝達軸２６を介して一体に接続され、タービン２２と共に回転する。
排気ガスｅによりタービン２２が回転すると、コンプレッサ２４が回転して被圧縮空気ａを取り込み、被圧縮空気ａを圧縮する。コンプレッサ２４で圧縮された空気は、インタクーラ１８で冷却された後、吸気集合管１３を介してシリンダ１２に供給される。シリンダ１２には、圧縮空気と共に燃料（例えばＣ重油など）が噴射される。噴射された圧縮空気と燃料とは、図示省略のピストンで圧縮されて発生した圧縮熱で着火し、該ピストンを駆動する。タービン２２の下流側排気管２８には、ＳＣＲ触媒を内蔵したＳＣＲ触媒コンバータ３０が設けられている。
シリンダヘッド１２ａには、排気ガスｅの一部を排気管１６から分岐してシリンダ１２に戻すＥＧＲ管路３２が設けられている。ＥＧＲ管路３２には、排気ガスｅから一部分岐した排気ガス（ＥＧＲガスＥ）が流れる。ＥＧＲ管路３２には、ＥＧＲバルブ３４と、ＥＧＲガスＥからＰＭを除去するＥＧＲスクラバ３６と、排気ガスＥを強制的にシリンダ１２に圧送するＥＧＲブロア３８とが、上流側から順に設けられている。ＥＧＲスクラバ３６は従来公知の構造を有している。
過給機２０で、タービン２２とコンプレッサ２４とを一体に連結する伝達軸２６には、発電機４０が接続され、伝達軸２６の回転により発電機４０で電力が発生する。発生した電力は、導電線４２を介してブロア３６の駆動モータ３９に送られ、該駆動モータ３９を駆動する。
かかる構成において、ＥＧＲ管路３２に分岐したＥＧＲガスＥは、ＥＧＲスクラバ３６で混入しているＰＭを除去され、ＥＧＲブロア３８で圧送されて、シリンダ１２内に戻される。これによって、シリンダ１２内の燃焼を抑制し、燃焼温度を下げることができ、ＮＯＸの発生を低減できる。
シリンダ１２から出た排気ガスｅは、排気管２８に達する。排気管２８では、尿素水溶液又はアンモニア水溶液等の還元剤水溶液ｒが噴霧される。これらの還元剤水溶液ｒは、排気ガスｅの保有熱で蒸発し、このうち尿素水溶液はアンモニアガスに加水分解される。ＳＣＲ触媒コンバータ３０に到達した排気ガスｅは、ＳＣＲ触媒コンバータ３０に内蔵されたＳＣＲ触媒上でアンモニアガスと反応して還元され、窒素と水に変換される。こうして、ＮＯＸを除去された排気ガスｅは、外部に排出される。
本実施形態によれば、ＥＧＲ管路３２に分岐したＥＧＲガスＥをＥＧＲブロア３８でシリンダ１２に圧送するようにしているので、ＥＧＲガスＥの圧力をシリンダ１２内の圧力より高くできる。そのため、ＥＧＲガスＥを設定した量だけ確実にシリンダ１２内に供給でき、これによって、シリンダ１２内の燃焼温度を低下させ、ＮＯＸの発生を低減できる。
また、ＥＧＲブロア３８の駆動モータ３９を発電機４０で発生させた電力で駆動するようにしているので、特別な駆動装置を必要としない。そのため、省エネを達成でき、ＣＯ２の発生を抑制できる。
また、発電機４０で得た電力を駆動モータ３９に伝達する手段が、導電線４２を用いただけの簡単な構成で可能になるので、動力伝達手段を簡素化かつ低コストにできると共に、伝達途中での動力損失を低減できる。
（実施形態２）
次に、本発明装置の第２実施形態を図２により説明する。図２に示す本実施形態の舶用ディーゼル機関１０Ｂにおいて、本実施形態では、伝達軸２６の回転を、歯車や回転軸等を用いた機械的動力伝達機構４４を用いてＥＧＲブロア３８の図示省略の駆動軸に伝達するようにしている。本実施形態のその他の構成は、前記第１実施形態と同一である。
本実施形態によれば、機械的動力伝達機構４４を用いたことにより、伝達軸２６の回転を確実にブロア３８の駆動軸に伝達できる。また、機械的動力伝達機構４４に増速装置や減速装置を介在させるのが容易であり、ＥＧＲブロア３８の増速制御又は減速制御が容易になる。そのため、ＥＧＲガスＥのシリンダ１２内への供給量の調整が容易になり、ＮＯＸ低減に最適な供給量とすることができる。
（実施形態３）
次に、本発明装置の第３実施形態を図３〜図６により説明する。本実施形態の舶用ディーゼル機関１０Ｃ及びその排気ガス処理装置の構成は、前記第１実施形態の舶用ディーゼル機関１０Ａと同一であり、該舶用ディーゼル機関１０Ａと同一構成のＥＧＲシステム及びＳＣＲシステムを備えている。
図３において、本実施形態の舶用ディーゼル機関１０Ｃは、コントローラ５０及び舶用ディーゼル機関１０Ｃを搭載した船舶の位置を計測するＧＰＳ等の位置計測装置５２を備えている。また、予め、目標ＥＧＲ率マップ５４及びブロア必要電力マップ５６が作成され、これらのマップがコントローラ５０の記憶装置に収納されている。
図５に示すように、目標ＥＧＲ率マップ５４は、機関負荷の値と必要ＥＧＲ率（全排気ガス量に対するＥＧＲガス量の割合）との相関を示すマップである。該必要ＥＧＲ率は、各機関負荷値に対応して設定され、排気ガスｅ中のＮＯＸ量を低減できる最適なＥＧＲガス量に対応したＥＧＲ率である。
図６に示すように、ブロア必要電力マップ５６は、機関負荷の値とＥＧＲブロア３８の必要駆動速度（必要電力）との相関を示すマップである。必要駆動速度（必要電力）は、各機関負荷値に対応して設定され、排気ガスｅ中のＮＯＸ量を低減できるＥＧＲブロア３８の最適な必要駆動速度（必要電力）である。
かかる構成において、まず、コントローラ５０に機関負荷信号５８が入力されると共に、コントローラ５０では、入力された該機関負荷値に対応して、前記マップから得られる最適なＥＧＲ率及びブロア必要電力を選択する。コントローラ５０で、これら選択されたＥＧＲ率及びブロア必要電力となるように、ＥＧＲバルブ３４の開度と駆動モータ３９を制御する。
次に、図４により本実施形態の操作手順を説明する。図４において、まず、ＧＰＳ等の位置計測装置５２で船舶の位置を検出する（ステップ１）。この検出結果により船舶が排気ガス規制の特に厳しい特定海域に近づいているときには、ＥＧＲブロア３８を駆動する。特定海域でないときは、通常運航を行なう（ステップ２）。特定海域に近づいているときは、さらにＥＧＲバルブ３４を開放する（ステップ３）。
次に、コントローラ５０に機関負荷信号を入力し、この機関負荷信号に対応した目標ＥＧＲ率及びブロア必要電力となるように、コントローラ５０でＥＧＲバルブ３４の開度及びＥＧＲブロア３８の駆動速度を制御する（ステップ４）。この状態で特定海域を運航する（ステップ５）。次に、ステップ１に戻り、船舶が特定海域から脱すれば、通常運航に戻る。
本実施形態によれば、排気ガス規制値の異なる海域に対応して排気ガス処理装置を運転でき、夫々の異なる排気ガス規制値を満たすことができる。
船舶が特に排気ガス規制が厳しい特定海域を運航する場合でも、予め作成された目標ＥＧＲ率マップ５４及びブロア必要電力マップ５６に基づいて、排気ガス中のＮＯＸ量を低減できるＥＧＲガス量に制御できるので、特定海域の排気ガス規制基準を満たすことができる。また、この制御を、機関運転手に頼ることなく、自動化して行なうことができる。
なお、前記実施形態はいずれも本発明を舶用ディーゼル機関に適用したものであるが、本発明の用途は、舶用ディーゼル機関に限定されるものではなく、排気ガス処理装置が搭載された船舶全てに適用できる。
本発明によれば、排気ガス処理装置が搭載された船舶、特に過給機を設けたディーゼル機関において、排ガス中のＮＯＸ低減を達成できると共に、省エネ及びＣＯ２削減を同時に実現できる。
１０Ａ，１０Ｂ、１０Ｃ、１００ 舶用ディーゼル機関
１２，１０２ シリンダ
１２ａ、１０２ａ シリンダヘッド
１３，１０３ 吸気集合管
１４，１０４ 排気弁
１６、２８、１０６，１１８ 排気管
１８，１０８ インタクーラ
２０、１１０ 過給機
２２、１１２ タービン
２４、１１４ コンプレッサ
２６，１１６ 伝達軸（動力伝達軸）
３０ ＳＣＲ触媒コンバータ
３２ ＥＧＲ管路
３４ ＥＧＲバルブ
３６ ＥＧＲスクラバ
３８ ＥＧＲブロア
４０ 発電機（動力取出し装置）
４２ 導電線
４４ 機械的動力伝達機構（動力取出し装置）
５０ コントローラ
５２ 位置計測装置
５４ 目標ＥＧＲ率マップ
５６ ブロア必要電力マップ
Ｅ ＥＧＲガス
ａ 被圧縮空気
ｅ 排ガス
ｒ 還元剤水溶液

Claims (5)

  1. 過給機が設けられた舶用ディーゼル機関の排気ガスの一部を吸気経路に循環させる循環路を備え、該循環路を介して排気ガスの一部を吸気経路に循環させ、燃焼温度を低減してＮＯＸの発生を抑制するようにした排気ガス処理装置が搭載された船舶において、
    コンプレッサとタービンとを連結した過給機の動力伝達軸に接続され該動力伝達軸から動力を得る動力取出し装置と、該動力取出し装置により駆動制御される、前記循環路に介設された送風機と、
    前記循環路に設けたＥＧＲバルブの開度と送風機の駆動速度の制御を行うコントローラと、
    舶用ディーゼル機関を搭載した船舶の航行位置を計測する位置計測装置とを備え、
    該位置計測装置の計測により排気ガス規制値の異なる海域に近づいているときに、予め作成された目標ＥＧＲ率マップ及び前記送風機の必要電力マップに基づいて前記コントローラを制御して、対応する特定海域の、夫々の異なる排気ガス規制値を満たすように排気ガス処理装置を運転させるように構成したことを特徴とする排気ガス処理装置が搭載された船舶。
  2. 前記動力取出し装置が発電機であり、該発電機で得た電力により送風機を駆動するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の排気ガス処理装置が搭載された船舶。
  3. 前記動力取出し装置が、過給機の動力伝達軸の回転を送風機の駆動軸に伝達して該駆動軸を駆動する機械的動力伝達機構であることを特徴とする請求項１に記載の排気ガス処理装置が搭載された船舶。
  4. ディーゼル機関の負荷と、該負荷に対応して必要な排気ガス循環量と、該排気ガス循環量に対応した送風機駆動速度との相関を示す予め作成された相関マップと、
    該相関マップに基づいて送風機駆動速度を制御するコントローラと、を備えたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかの項に記載の排気ガス処理装置が搭載された船舶。
  5. 過給機のタービン下流側排ガス経路に選択性還元触媒を内蔵した触媒コンバータを設け、該下流側排ガス経路を通る排気ガス中のＮＯＸ除去を行なうことを特徴とする請求項１〜４のいずれかの項に記載の排気ガス処理装置が搭載された船舶。
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