JP5581259B2 - 排ガス浄化システムを備える大型２サイクルディーゼルエンジン - Google Patents

Description

本発明は、クロスヘッド式大型ターボ過給型２サイクル内燃ピストンディーゼルエンジン、好ましくは、排ガス浄化システムを備えるディーゼルエンジンに関し、具体的には、選択触媒還元反応器を備えるクロスヘッド式大型２サイクルディーゼルエンジンに関する。

クロスヘッド式大型２サイクルエンジンは、典型的には、大型船舶の推進システムにおいて、または発電所の原動機として使用される。これらのエンジンにおいては、特に一酸化窒素（ＮＯｘ）レベルに関して、排出基準を満たすことが、ますます難しくなってきている。

選択触媒還元（selective catalytic reduction; SCR）反応器は、ディーゼルエンジンのＮＯｘ排出量を減少させる手段として知られている。ＳＣＲ反応器が適切に動作するには、ＳＣＲ変換器に入る排ガスの温度が、最低でも、およそ３００℃から３５０℃であることが必要とされる。

しかし、２サイクルターボ過給型エンジンの特性により、エンジン負荷が低い場合、例えばエンジンの負荷が最大連続定格出力の４０％未満である場合、排ガス温度は比較的低くなり、排ガスをＳＣＲ反応器中で処理するには低過ぎる。

大型ターボ過給型２サイクルディーゼルエンジンおいて、かかる低負荷条件では、十分な掃気圧力を維持することが難しい。そこで、そのような低負荷条件においては、掃気圧力を維持するために補助ブロアが使用されている。このため、ＳＣＲ反応器の入口における排ガスの温度を上昇させるためのいかなる手段も、掃気圧力に悪影響を及ぼすべきではない。

したがって、上述の欠点を克服するか、または少なくとも軽減するターボ過給型２サイクルディーゼルエンジンの必要性が存在する。

このような背景から、本発明の目的は、幅広いエンジン負荷条件においてＳＣＲ反応器とともに動作しうる大型ターボ過給型２サイクルディーゼルエンジンを提供することにある。

この目的は、各々排ガス受け及び掃気受けに連結される複数のシリンダと、その入口が前記排ガス受けの出口に連結される選択触媒還元反応器と、前記選択触媒還元反応器の出口をターボ過給機のタービンに連結する排気導管と、前記タービンにより駆動される、前記ターボ過給機のコンプレッサーであって、掃気冷却器を有する掃気経路を介して前記掃気受けに掃気を送るコンプレッサーと、低負荷条件において前記コンプレッサーを補助するべく、前記掃気経路に設けられる補助ブロアと、前記掃気経路における前記補助ブロアの下流側の位置、または前記掃気受けから、前記排気導管における、前記選択触媒還元反応器の出口と前記タービンの入口との間の位置へと延びる、制御可能なバイパスラインと、前記バイパスラインを制御しうるように該バイパスラインに接続される電子制御ユニットであって、前記エンジン負荷が所定の閾値未満である場合、または前記選択触媒還元反応器に入る前記排ガスの温度が所定の閾値未満である場合に、前記バイパスラインを通じて前記掃気受けから前記排気導管へ掃気が流れることを可能にするように構成される、電子制御ユニットと、を備える、クロスヘッド式大型ターボ過給型２サイクル燃焼エンジンを提供することによって、達成される。

低エンジン負荷では、制御された掃気流が、掃気受けから、前記排気導管における、前記選択触媒還元反応器の下流で前記ターボ過給機の前記タービンの上流の位置へと導かれる。この方策によって、前記掃気圧力に悪影響を及ぼさずに、前記選択触媒還元反応器に入る前記排ガスの温度が上昇する。

前記排気導管は、前記バイパスされた掃気を前記排ガスと混合するための、３ポート混合点を備えてもよい。

前記バイパスラインは、前記バイパスラインを通る前記掃気流を制御するための弁を備えてもよい。

前記弁は、前記電子制御ユニット３３によって開ループで制御されるオン／オフ式の電子制御弁であることができる。

代替として、前記弁は、前記電子制御ユニットによって閉ループで制御される比例式の電子制御弁であることができる。

前記エンジンは、前記選択触媒還元反応器の入口付近に温度センサをさらに備えてもよい。

前記エンジンは、前記掃気冷却器が、前記電子制御ユニットによって停止することができるように構成されてもよい。

前記電子制御ユニットは、第１の方策として前記バイパスラインを開放し、第２の方策として前記掃気冷却器を停止させるように構成されることができる。

前記エンジンは、前記掃気冷却器が、前記電子制御ユニットによって加熱器に変えられることができるように構成されることができる。

前記エンジンは、前記電子制御ユニットが、第３の方策として、前記掃気冷却器を加熱器に変えるように構成されることができる。

また、上記目的は、各々排ガス受け及び掃気受けに連結される複数のシリンダと、その入口が前記排ガス受けの出口に連結される選択触媒還元反応器と、前記選択触媒還元反応器の出口をターボ過給機のタービンに連結する排気導管と、前記タービンにより駆動される、前記ターボ過給機のコンプレッサーであって、掃気冷却器を有する掃気経路を介して前記掃気受けに掃気を送るコンプレッサーと、低負荷条件において前記コンプレッサーを補助するべく、前記掃気経路に設けられる補助ブロアと、前記エンジン負荷が所定の閾値未満である場合、または前記選択触媒還元反応器に入る前記排ガスの温度が所定の閾値未満である場合に、前記掃気冷却器の冷却機能を低下または停止させるように構成される電子制御ユニットと、を備える、クロスヘッド式大型ターボ過給型２サイクル燃焼エンジンを提供することによっても、達成される。

前記エンジンは、前記掃気冷却器をバイパスするための掃気バイパス導管をさらに備えてもよい。

前記エンジンは、前記掃気バイパス導管を通る前記掃気流を制御するための、前記電子制御ユニットの制御下にある１つ以上の電子制御弁をさらに備えてもよい。

前記エンジンは、電子制御式隔離弁を有する冷却媒体供給導管、冷却媒体戻し導管、および電子制御式バイパス弁を有する冷却媒体バイパス回路をさらに備えてもよい。前記エンジンは、再循環導管および再循環ポンプをさらに備えてもよい。前記エンジンは、前記再循環導管を流れる前記媒体を加熱するための、前記再循環導管における熱交換器をさらに備えてもよい。

前記エンジンは、第２の掃気冷却器をさらに備えてもよい。前記電子制御ユニットは、前記掃気冷却器のうちの少なくとも１つの冷却能力を制御するように構成される。

前記エンジンは、前記掃気経路に連結された水蒸気注入導管をさらに備えてもよい。前記水蒸気注入導管は、前記電子制御ユニットの制御下にある電子制御式水蒸気注入制御弁を有する。

前記エンジンは、前記掃気経路に連結された排ガス注入導管をさらに備えてもよい。前記排ガス注入導管は、前記電子制御ユニットの制御下にある電子制御式排ガス注入制御弁を有する。

前記エンジンは、前記掃気経路において加熱ユニットをさらに備えてもよい。前記加熱ユニットは、熱風を加熱媒体として使用して動作することができる。

前記エンジンは、前記冷却媒体供給導管を流れる前記媒体に熱を供給するための熱交換器を、前記冷却媒体供給導管に備えてもよい。

本発明に従う大型２サイクル内燃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。

本説明の以下の詳細な部分において、図面に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の実施形態に従うエンジンの線図である。 本発明の第２の実施形態の線図を示す。 掃気冷却を弱くするさらなる実施形態を示す。 掃気冷却を弱くするさらなる実施形態を示す。 掃気冷却を弱くするさらなる実施形態を示す。 掃気冷却を弱くするさらなる実施形態を示す。 掃気冷却を弱くするさらなる実施形態を示す。 掃気を積極的に暖めるさらなる実施形態を示す。 掃気を積極的に暖めるさらなる実施形態を示す。 掃気を積極的に暖めるさらなる実施形態を示す。 掃気を積極的に暖めるさらなる実施形態を示す。 掃気を積極的に暖めるさらなる実施形態を示す。

好適な実施形態の詳細な説明

以下、本発明に従うクロスヘッド式大型ターボ過給型２サイクルディーゼルエンジン、およびクロスヘッド式大型ターボ過給型２サイクルディーゼルエンジンを動作させる方法の詳細な説明が、例示的実施形態を用いて記述される。

クロスヘッド式大型ターボ過給型ディーゼルエンジンの構成および動作は、よく知られており、本明細書においても詳しく説明することは不要であろう。本明細書は、排ガス浄化システムの動作に関する詳細を提供する。

図１は、本発明に従う大型２サイクルディーゼルエンジン１の第１の実施例を示す。エンジン１は、例えば、外航船の主エンジンとして、または発電所の発電機を動作させるための定置エンジンとして使用されてもよい。エンジンの全出力は、例えば、５，０００ｋＷから１１０，０００ｋＷの範囲であり得る。

エンジン１には、一列に並ぶように配置される複数のシリンダが設けられる。各シリンダには、そのシリンダカバーに排気弁が設けられる。排気通路は排気弁によって開閉されうる。エンジンのクロスヘッドは、ピストン棒をクランクシャフトの大端部に連結する。排気ベンドは排ガス受け６に連結される。排ガス受け６は、シリンダの列に平行して配置される。排ガス受け６は、最適なガス流、逆圧、および音響的配慮といった点で、エンジンの特性に適合するような寸法を有する大型容器である。典型的には、排ガス受け６は、鋼板から作製される大型中空円筒体である。排ガス受けは、その大きな寸法および重量により、振動に対処する目的で、エンジン構造から吊されるように設置される。

排ガス流は、排ガス受け６の出口から、選択触媒反応器８（ＳＣＲ反応器）および排気導管１０を介してターボ過給機のタービン１２に向かって誘導される。したがって、排ガス受け６の出口はＳＣＲ反応器８の入口に連結される。排ガスがＳＣＲ反応器８を流れると、ＮＯｘは窒素および酸素に変換されるので、排ガス中のＮＯｘは除去されるか又は少なくともその量が減少する。ＳＣＲ反応器の出口は、高温および加圧排ガスをタービン１２に導く排気導管１０に連結される。排ガスは、タービン１２の下流側で大気中に廃棄される。

また、ターボ過給機は、タービン１２により駆動されるコンプレッサー１４も有する。コンプレッサー１４は空気取り入れ口に連結される。コンプレッサー１４は、加圧された掃気を、掃気冷却器１８および補助ブロア２０を有する掃気流路１６を通じて掃気受け２２に送る。

掃気冷却器１８は、水を冷却媒体として使用して動作する。掃気冷却器１８として様々なタイプのものを使用することができる。１つの可能性として、冷却媒体が掃気と物理的に直接接触しないプレートクーラが挙げられる。別の可能性として、冷却媒体が掃気と物理的に直接接触するスクラバが挙げられる。

補助ブロア２０は、典型的には電気モータによって駆動される。油圧モータによって駆動されてもよい。補助ブロア２０は、低負荷条件（典型的には最大連続定格の４０％）で起動して、十分な掃気圧力を維持するべくコンプレッサー１４を補助する。補助ブロアを使用しない場合、図示しないバイパスを介して補助ブロアはバイパスされる。

掃気受け２２は、エンジンのシリンダに沿って延在する細長い中空円筒状本体である。掃気は、掃気受け２２から各シリンダの掃気ポートへと送られる。

制御可能なバイパスライン２６は、掃気受け２２から分岐する。このバイパスラインの他方の端部は、３ポート混合点３０において排気導管１０に連結される。混合点３０は、ＳＣＲ反応器８の出口の下流でタービン１２の入口の上流に位置する。

代替として、制御可能なバイパスライン２６の始点は、掃気導管１６における補助ブロア２０の下流側の位置であってもよい。

電子制御弁２８は、電子制御ユニット３３の制御下で、掃気流路１６から排気導管１０への掃気流を調節する。ある実施例では、弁２８は、電子制御ユニット３３によって開ループ制御されるオン／オフ式の弁である。この実施例において、電子制御ユニット３３は、エンジン負荷が所定の閾値未満に降下する場合に弁２８を開放し、エンジン負荷が所定の閾値を上回って上昇する場合に弁２８を閉鎖するように構成される。これらの２つの閾値は、同一である必要はなく、エンジンの最大連続定格のある割合として規定することができる。

別の実施例では、電子制御弁２８は、電子制御ユニット３３によって閉ループ制御される比例弁である。制御ユニットは、ＳＣＲ反応器８の入口における排ガス温度に関する情報を温度センサ３５から受信する。電子制御ユニット３３は、ＳＣＲ反応器８に提供される排ガス測定温度に応じて、弁２８の開放度合いを制御するように構成される。つまり、電子制御ユニット３３は、測定温度が最小所望温度未満である場合に、排ガスの温度を上昇させるように、電子制御弁２８の開放度合いを増加させる。

また、閾値は、タービン入口における混合温度（mixing temperature）によって制御されることができる。すなわち、ＳＣＲ反応器８に必要とされる温度より高くなると、バイパスライン２６が閉じられ、ＳＣＲ反応器８に必要とされる温度より低くなりそうになると、バイパスライン２６が開かれる。

オン／オフバイパスは、負荷制御について説明したように、タービン入口における混合温度の事前設定に基づいて制御される。

図２は、本発明に従う大型２サイクルディーゼルエンジン１の第２の実施例を示す。同一の参照番号は、図１における同一の部分を表す。図２に従う実施例は、掃気経路１６における掃気冷却器１８の以下の側面以外は、図１の実施例とほぼ同一である。

供給導管４０は、冷水を掃気冷却器１８に送り、戻し導管４２は、掃気冷却器１８から温水を運び去る。第２の実施例では、冷却媒体バイパス回路４３における電子制御式バイパス弁４４および電気制御式隔離弁４６（これらはコントローラ３３の制御下にある）によって、供給導管４０中の冷水の供給を、掃気冷却器１８を通さずに戻し導管４２へと逸らすことができる。ポンプ５０および加熱器（または熱交換器）５２を有する再循環導管４８によって、掃気冷却器１８は加熱器に変えられ、実質的に熱交換器として機能する。水は、そのようにされた掃気冷却器１８を流れる。加熱器５２には、エンジン冷却システムからの温水等の、温かい加熱媒体が提供され、掃気冷却器１８を循環する媒体を加熱する。

第２の実施例では、電子制御ユニット３３は、冷却媒体をバイパスすることによって、弁４４および４６を介して、冷却器１８を停止させることができる。同時に、コントローラ３３は、媒体が掃気冷却器１８を循環することを確実にするように、ポンプ５０を作動する。さらに、制御ユニット３３は、加熱媒体を加熱器５２に送って加熱器５２を作動させ、それによって掃気冷却器１８を加熱器に変えることができる。

電子制御ユニット３３は、ＳＣＲ反応器８に入る排ガスの温度を上昇させる必要性に関連して、掃気の温度を上昇させるための様々な方策をとるように構成される。制御可能なバイパスライン２６を通じて一部の掃気を排気導管１０へと導くことが十分である場合、電子制御ユニット３３は、それ以上の方策をとらない。しかし、この第１の方策が十分でない場合、電子制御ユニット３３は、掃気冷却器１８の冷却機能を停止させる。この第２の方策が十分でない場合、電子制御ユニット３３は、第３の方策として、掃気を積極的に加熱すべく、掃気冷却器１８を加熱器に変える。

図２には、システムにおける種々の位置における排ガスの掃気の温度の例が示されている。これらの例は、低エンジン負荷条件、例えば、該当エンジンの最大連続定格の４０％未満についてのものである。括弧の無い数字は、掃気がバイパスライン２６に通されると共に掃気冷却器１８において熱が掃気に加えられている状態の温度である。括弧内の数字は、従来のように、掃気がバイパスライン２６に通されておらず、掃気冷却器１８が掃気を冷却する状態でエンジンが動作する場合の温度である。新しい方策により、ＳＣＲ反応器８に入る排ガスの温度は、摂氏３２５度になり、排ガスは、ＳＣＲ反応器８中で変換されるために十分高温になる。新しい方策をとらない場合、ＳＣＲ反応器８に入る排ガスの温度は、摂氏２２０度であり、排ガスは、ＳＣＲ反応器８中で変換されるための温度としては十分ではない。

図３は、冷却媒体供給導管４０および冷却媒体戻し導管４２を介する、掃気冷却器１８に対する冷却媒体の供給および戻しを示す。

図４から図７は、掃気冷却器１８の冷却能力を制御された形態で低下させるための種々の実施例を示す。

図４では、エンジンに、掃気冷却器１８をバイパスするための掃気バイパス導管１７が設けられる。掃気バイパス導管１７は、電子制御ユニット３３の制御下で掃気バイパス導管１７を開閉するための電子制御弁２３を有する。掃気経路１６は、電子制御ユニット３３の制御下で掃気経路１６を開閉するための別の電子制御弁２１を有する。したがって、電子制御ユニット３３は、掃気の温度を上昇させる必要性に応じて、上記掃気バイパス導管１７を通る掃気流を制御し、これによって、ＳＣＲ反応器８に入る排ガスの温度を上昇させることができる。

図５では、冷却媒体供給導管４０に、電子制御式隔離弁４６と、電子制御式バイパス弁４４とが設けられ、かつ冷却媒体供給管４０を冷却媒体戻し導管４２に直接連結する冷却媒体バイパス回路４３とが設けられる。電子制御ユニット３３は、電子弁４４および４６に命令を送り、これによって、冷却媒体が掃気冷却器１８を通過する度合いを制御することができる（オン／オフ制御または比例制御であってもよい）。

図６では、（電子制御ユニット３３の制御下にある）再循環ポンプ５０を有する再循環導管４８が、図５に示す実施例に追加され、冷却媒体が掃気冷却器１８において循環することが可能にされる。

図７では、エンジンに、追加の（第２の）掃気冷却器１９が設けられる。電子制御ユニット３３は、上記に説明するように、掃気冷却器１８、１９のうちの少なくとも１つの冷却能力を制御するように構成される。

図８から図１２は、制御された形態で掃気へ熱を加えるための種々の実施例を示す。

図８では、エンジンに、掃気経路１６に連結される水蒸気注入導管５０が設けられる。水蒸気注入導管９０は、電子制御ユニット３３の制御下にある電子制御式水蒸気注入制御弁９２を有する。電子制御ユニット３３の制御に基づいて水蒸気を注入することにより、必要に応じて、掃気の温度ひいてはＳＣＲ反応器８に入る排ガスの温度を、掃気圧力を降下させずに上昇させることができる。

図９では、エンジンに、掃気経路１６に連結される排ガス注入導管６０が設けられる。この排ガス注入導管６０は、電子制御ユニット３３の制御下にある電子制御式排ガス注入制御弁６２を有する。電子制御ユニット３３の制御に基づいて排ガスを注入することにより、必要に応じて、掃気の温度ひいてはＳＣＲ反応器８に入る排ガスの温度を、掃気圧力を降下させずに上昇させることができる。

図１０では、エンジンに、掃気経路１６において加熱ユニット２７が設けられる。加熱ユニット２７には、加熱媒体供給導管７０を介して加熱媒体（温水または熱風等）が供給され、戻り媒体は加熱媒体戻し導管７２によって運び去られる。加熱媒体供給導管７０および加熱媒体戻し導管７２には、電子制御ユニット３３の制御下にある電子制御弁が設けられる。それによって、必要に応じて、掃気の温度ひいてはＳＣＲ反応器８に入る排ガスの温度を、掃気圧力を降下させずに上昇させることができる。

図１１の実施例は、図６の実施例と本質的に同一であるが、掃気冷却器１８を通して再循環する媒体に熱を加えるための熱交換器５２をさらに有する。

図１２の実施例では、エンジンに、冷却媒体供給導管４０を流れる媒体に熱を供給するための、冷却媒体導管４０における熱交換器８０が設けられる。

本願の教示について例示目的のために説明したが、このような詳細が単にその目的のためのものであること、ならびに本願の教示の範囲から逸脱することなく、当業者により変更を加えてもよいことを理解されたい。

上述の実施例は、エンジンの機能を改善するあらゆる可能な方式で組み合わせてもよい。

また、本発明に教示される装置を実装する多くの代替方式が存在することにも留意されたい。

用語の「備える」は、請求項において使用する際、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。単一のプロセッサまたは他のユニットが、請求項に列挙するいくつかの手段の機能を実行してもよい。

Claims (10)

1. 各々排ガス受け（６）及び掃気受け（２２）に連結される複数のシリンダと、
   その入口が前記排ガス受け（６）の出口に連結される選択触媒還元反応器（８）と、
   前記選択触媒還元反応器（８）の出口をターボ過給機のタービン（１２）に連結する排気導管（１０）と、
   前記タービン（１２）により駆動される、前記ターボ過給機のコンプレッサー（１４）であって、掃気冷却器（１８）を有する掃気経路（１６）を介して前記掃気受け（２２）に掃気を送るコンプレッサー（１４）と、
   前記コンプレッサー（１４）を補助するべく、前記掃気経路（１６）に設けられる補助ブロア（２０）と、
   前記掃気経路（１６）における前記補助ブロアの下流側の位置、または前記掃気受け（２２）から、前記排気導管（１０）における、前記選択触媒還元反応器（８）の出口と前記タービン（１２）の入口との間の位置へと延びる、制御可能なバイパスライン（２６）と、
   前記バイパスライン（２６）を制御しうるように該バイパスライン（２６）に接続される電子制御ユニット（３３）であって、エンジン負荷が所定の閾値未満である場合、または前記選択触媒還元反応器（８）に入る排ガスの温度が所定の閾値未満である場合に、前記バイパスライン（２６）を通じて前記掃気受け（２２）から前記排気導管（１０）へ掃気が流れることを可能にするように構成される、電子制御ユニット（３３）と、
   を備える、クロスヘッド式大型ターボ過給型２サイクル燃焼エンジン（１）。
2. 前記排気導管（１０）は、前記バイパスされた掃気を排ガスと混合するための、３ポート混合点（３０）を有する、請求項１に記載のクロスヘッド式大型ターボ過給型２サイクル燃焼エンジン。
3. 前記バイパスライン（２６）は、前記バイパスライン（２６）を通る掃気の流れを制御するための弁（２８）を有する、請求項１に記載のクロスヘッド式大型ターボ過給型２サイクル燃焼エンジン。
4. 前記弁（２８）は、前記電子制御ユニット（３３）によって開ループで制御されるオン／オフ式の電子制御弁である、請求項３に記載のクロスヘッド式大型ターボ過給型２サイクル燃焼エンジン。
5. 前記弁（２８）は、前記電子制御ユニット（３３）によって閉ループで制御される比例式の電子制御弁である、請求項３に記載のクロスヘッド式大型ターボ過給型２サイクル燃焼エンジン。
6. 前記選択触媒還元反応器（８）の入口付近に温度センサ（３５）をさらに備える、請求項１に記載のクロスヘッド式大型ターボ過給型２サイクル燃焼エンジン。
7. 前記掃気冷却器（１８）は、前記電子制御ユニット（３３）によって停止されうる、請求項１に記載のクロスヘッド式大型ターボ過給型２サイクル燃焼エンジン。
8. 前記電子制御ユニット（３３）は、第１の方策として前記バイパスライン（２６）を開放し、第２の方策として前記掃気冷却器（１８）を停止させるように構成される、請求項７に記載のクロスヘッド式大型ターボ過給型２サイクル燃焼エンジン。
9. 前記掃気冷却器（１８）は、前記電子制御ユニット（３３）によって加熱器に変えられることができる、請求項７に記載のクロスヘッド式大型ターボ過給型２サイクル燃焼エンジン。
10. 前記電子制御ユニット（３３）は、第３の方策として、前記掃気冷却器（１８）を加熱器に変えるように構成される、請求項８に記載のクロスヘッド式大型ターボ過給型２サイクル燃焼エンジン。

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