JP5711315B2 - 船舶におけるエンジンの排気ガス浄化システム - Google Patents

Description

本願発明は、船舶におけるエンジン（ディーゼルエンジン）の排気ガス浄化システムに関するものであり、より詳しくは、排気ガスの有害成分放出量が規制されている海域に出入りする船舶の排気ガス浄化システムに関するものである。

船舶には一般にはディーゼルエンジンが搭載されているが、陸上車両と同様に排気ガスに含まれるＮＯｘ（窒素酸化物）の浄化が求められている。また、船舶用ディーゼルエンジンでは重油を燃料にしているため排気ガス中にＳＯｘ（硫黄参加物）が含まれることが多く、そこで、ＳＯｘの浄化も求められている。

そして、ＮＯｘ（窒素参加物）の浄化手段としては、還元剤として尿素を使用したＳＣＲ触媒浄化法が一般化している。このＳＣＲ触媒浄化法では、一般に、Ｔｉ等の酸化物の担体にＶやＣｒ等の活性成分を担持させた材料よりなるハニカム構造体が使用されており、ハニカム構造体の上流側に還元剤水溶液としての尿素水を噴霧すると、尿素水が排気ガスの熱で加水分解されてアンモニアが生成し、このアンモニアが還元剤としてＮＯｘに作用し、ＮＯｘが無害な窒素と水とに分解される。

他方、船舶ではコストの面から一般燃料としてＣ重油が多用されているが、Ｃ重油は硫黄分の含有量が多いという性質があり、そこで、ＳＯｘの対策としては、硫黄分が少ないＡ重油を使用することで対処している。環境面では公海・領海を問わず一律に規制するのが好ましいが、ＳＯｘの浄化技術がまだ確立していないことや、Ａ重油の使用を義務づけるのは運行コストやＣ重油の有効利用の面で問題があるという実情があり、そこで、調和策として、現状では、ＳＯｘに関しては規制海域が定められている。

従って、規制対象海域に出入りする船舶は、燃料として硫黄分の含有量が高いＣ重油と硫黄分の含有量が少ないＡ重油とを搭載し、規制対象海域への出入りに応じて使用する燃料を切り換えることになる。そして、特許文献１には、運転当初は流動性が高いＡ重油を使用して、エンジンがある程度温まったＣ重油に切り換える装置が開示されており、ＳＯｘ規制対象海域に出入りする船舶には、特許文献１に開示されているように切り換え装置が搭載されており、オペレータ（例えば機関士）が手作業で使用燃料を切り換えていた。

特開２００２−２２７６７６号公報

さて、現在の船舶はＧＰＳ（グローバル・ポジショニング・システム：全地球測位システム）やサテランイトコンパスを利用した自船位置自動検出手段を備えており、これら自船位置自動検出手段を使用した電子海図によって自船の位置を正確に把握することができる。しかし、規制対象海域の境界は人為的に決められたものであり、これは予め情報として知得しておかねばならないのみならず、例えば沿岸○○海里以内という規制では海岸線を正確に把握していないと規制海域の境界を正確に理解できないという実情があり、人手による対応では正確性や迅速性に欠けるという問題がある。勿論、オペレータの負担も大きい（規制海域を通過するのは夜間や嵐のときもあるので、負担は大変である。）。

また、排気ガスに直接に作用する浄化装置としてＮＯｘ浄化用のＳＣＲ還元触媒や粒子状物質除去用の洗浄集塵装置を付加している場合、これらも燃料の切り換えに対応して作動させたり作動停止させたりするのが好ましいが、従来のような手作業方式では正確性・確実性・迅速性に欠けており、規制を遵守できなかったり高価な燃料を浪費したりする虞がある。

本願発明は、このような現状を改善すべく成されたものである。

請求項１の発明に係る船舶におけるエンジンの排気ガス浄化システムは、排気ガスの浄化状態を切り換えできるエンジン（１）と、現在地を自動的に特定できる自船位置自動検出手段（Ｂ）とを搭載し、前記自船位置自動検出手段（Ｂ）は、衛星又は地上局若しくは両方から発信された電波に基づいて排気ガス規制対象海域の境界と自船との位置関係を特定するように作動する一方、前記エンジン（１）の排気系は、還元剤添加方式のＮＯｘ用排気処理装置（９）が接続された主排気管（８）と、排気ガスを前記ＮＯｘ用排気処理装置（９）に通さずに排出するバイパス排気管（１６）とを備え、自船が規制対象海域内にある場合は、前記バイパス排気管（１６）は閉じていて前記ＮＯｘ用排気処理装置（９）に還元剤を添加し、自船が規制対象海域外にある場合は、排気ガスを前記バイパス排気管（１６）に流して前記ＮＯｘ用排気処理装置（９）に還元剤を添加しないように構成し、排気ガスの浄化状態を切り換える制御装置（４１）に前記自船位置自動検出手段（Ｂ）を組み込み、前記制御手段（４１）には更に、どの海域でどのような排気ガス規制が成されているかという規制海域情報を記憶させ、前記自船位置自動検出手段（Ｂ）で検出した位置情報の規制海域情報との比較によって規制対象海域の境界までの距離を演算し、境界までの距離又は航行時間の目標値を定めて切り換えの準備状態と成し、更に、一般燃料用タンク（３）と高品質燃料用タンク（４）とを併設する一方、前記バイパス排気管（１６）を閉じた状態では一般燃料を使用し前記パイパス排気管（１６）に排気ガスを流す状態では高品質燃料を使用するように、燃料の種類を切り換える、というように制御するものである。

本願発明では、船舶が排ガス規制対象海域に入ったり出たりするにおいて、規制対象海域の境界と自船との位置関係が自動的に判断されて、規制対象海域に入る場合は浄化状態を規制がクリアーされる状態に自動的に切り換わって、規制対象海域から出る場合は規制クリアー状態が解除される状態に自動的に切り替わるように制御できる。従って、船排気ガスに関する規制を正確かつ迅速にクリアーできると共に、船員の手間を省いて省力化と負担軽減にも貢献できる。

ＮＯｘの浄化には尿素のような還元剤を添加する還元触媒が使用されているが、請求項１の発明を採用すると、自船が規制対象海域外にある場合は排気ガスをバイパスして排出することにより、還元剤の使用量を抑制して運行コストを抑制できると共に、排気ガスが触媒を通ることに起因した抵抗によって出力のロスが生じることを防止できる。

自船位置自動検出手段は、具体的には、ＧＰＳ方式位置特定システムやサテライトコンパスを使用できるが、請求項１のように浄化システムの制御装置に自船位置自動検出手段を組み込むと、信号の伝達系統が単純化するため作動の確実性がより高くなる利点がある。

本願発明の実施形態を示す模式的なブロック図である。 排気切り換え弁の一例を示す断面図である。 航行中の船舶の概念図である。 制御例を示すフローチャートである。

次に、本願発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は本願発明に関連した設備・装置を示す概念的なブロック図、図２は装置の具体的構造を示す図、図３は航行中の船舶の概念図である。まず、設備・装置の配置等を説明する。

(1).エンジン回りの基本構成
図１に示すように、船舶はディーゼル方式のエンジン１を備えており、エンジン１には発電機２が接続されている。エンジン１には、一般燃料タンク３と低硫黄燃料タンク４とのうち何れか一方から燃料が供給される。図１では、説明の単純化のため両燃料タンク３，４とエンジン１とを結ぶ燃料管路５には切り換え弁６を介在させた状態を描いているが、実際には、両タンク３，４にそれぞれ燃料噴射系配管を接続して、いずれかの燃料噴射系配管を選択的に使用するのが一般的であると言える。従来と同様に、一般燃料の例としてＣ重油が挙げられ、低硫黄燃料としてはＡ重油が挙げられる。

なお、本実施形態の発電機は主として船舶の推進用モータを駆動するためのものであるが、エンジン１でスクリューを直接に駆動することも可能である。当然ながら、エンジン１を船内で使用する電力を得るための専用のエンジンとして、これに発電機２が接続されていてもよい。発電機２には出力センサ７を取付けている。この出力センサ７は直接には発電機の出力（或いは負荷）を検出するが、エンジン１の出力と発電機２の出力とは殆ど同じなので、出力センサ７はエンジン１の出力検知手段として機能している。

エンジン１は排気マニホールドに接続された主排気管８を有しており、主排気管８にＮＯｘ用の排気処理装置９が接続される。ＮＯｘ用排気処理装置９は、排気ガスの流れ方向から見て上流側から順に、既述したＳＣＲ還元触媒１０、ＳＣＲ還元触媒１０を通過したＮＯｘを処理するためのスリップ触媒１１、及び消音器１２を有している。消音器１２には放出管１３が接続されている。なお、放出管１３も主排気管８の一部と観念することは可能であり、この場合は、主排気管８の途中に排気処理装置９が介在していることになるが、本実施形態では、便宜的に排気処理装置９の上流側の部分を主排気管８として定義している。

主排気管８の中途部には、還元剤水溶液の一例としての尿素水を噴霧するための噴霧口１５を設けている。また、排気処理装置９には、ＳＣＲ還元触媒１０に向けて空気を噴出させるブロワー１４が接続されている。また、主排気管８のうち噴霧口１５よりも上流側にはバイパス排気管１６が接続されており、バイパス排気管１６の終端は、排気処理装置８のうち消音器１２の部分に接続されている。

図では省略しているが、排気処理装置９の下流側に、粒子状物質を補修する洗浄集塵装置を接続することも可能である。或いは、アフターバーナーを接続するといったことも可能である。

排気切り換え弁１７とバイパス排気管１６との接続部には排気ガスの流れ方向を変えるための切り替え弁１７を設けている。切り替え弁１７の具体的構造例を図２に挙げている。すなわちこの例では、切り換え弁１７は平板方式になっていてその一端部に位置した支軸を中心に回動するようにっており、モータ等のアクチェータ１８で回転すると、バイパス排気管１６の入り口を閉じる姿勢と主排気管８を閉じる姿勢とに切り替わる。

(2).尿素水の供給系統
船舶には、海水を第１ポンプ２０で汲み上げて真水化する造水機２１と、造水機２１で造られた真水を溜めておく水タンク２２とを有している。水タンク２２には厨房や洗面所等に給水するための一般水管路２３が多数接続されている。船舶には、更に、ＮＯｘ浄化用原料還元剤の一例としての顆粒状尿素を投入する原料ホッパー２４と、原料ホッパー２４から供給された原料尿素を水に混ぜて尿素水となす混合タンク２５と、混合タンク２５で製造された尿素水の濃度を調節する調整タンク２６とが搭載されている。

混合タンク２５と水タンク２２とは原水管路２７で接続されていて、原料管路２７には給水をＯＮ・ＯＦＦする第２ポンプ２８を介在させており、混合タンク２５と調整タンク２６とは第１水溶液管路２９で接続されており、第１水溶液管路２９には第３ポンプ３０を介在させている。調整タンク２６と噴霧口１５とは第２水溶液管路３１で接続されており、第２水溶液管路３１には電磁式等の噴霧開閉弁３２を介在させている。

原料ホッパー２４には乾燥装置３４が設けられており、かつ、原料ホッパー２４と混合タンク２５との間の放出管３６には、当該放出管３６を開閉するシャッター手段３７を設けている。原料ホッパー２４には、原料尿素の量を検知する容量センサ３５が設けられている。シャッター手段３６は電磁ソレノイド等のアクチェータで遠隔的に駆動される。混合タンク２５にはロータリー式攪拌装置３８と水位センサ３９と加温手段４０とを設けている。攪拌装置３８はモータで駆動される。

調整タンク２６にも、攪拌装置４１と加温手段４２と水位センサ４３とを設けている。また、調整タンク２６と水タンク２２とは希釈水管路４４で接続されており、希釈水管路４４には第３ポンプ４５を介在させている。更に、調整タンク２６には、尿素水の尿素濃度を検知する濃度センサ４６を設けている。水タンク２２にも水位センサ４７を設けており、水位が下限まで下がると第１ポンプ２０が自動的に作動し、水位が上限まで上がると第１ポンプ２０は自動停止する。

(3).制御系の構成
本実施形態では、排気ガス浄化システムの中枢装置として、中央演算装置（ＣＰＵ）やメモリー等を内蔵した制御装置４１を有している。制御装置４１は専用品として製造・配置することも可能であるし、市販のパソコンやワークステーションを使用することもできる。

制御装置４１には所定のプログラムが組み込まれており、入力信号に基づいて信号が入出力される。例えば、制御装置４１には、原料ホッパー２４の容量センサ３５、混合タンク２５の水位センサ３５、調整タンク２６の水位センサ３９、発電機１の出力センサ７から信号が入力される。２つの燃料タンク３，４にも容量センサ（レベル計）４２，４３が設けられており、これらの容量センサ４２、４３からも制御装置４１に信号が送られる。図示してないが、燃料切り換え弁６や排気切り換え弁１７にも開き状態を検知するセンサが設けられておおり、これらのセンサからの信号が制御装置４１に送られている。

更に、船舶には衛星や地上局からの電波を受信するアンテナＡと、アンテナＡで受信した電波に基づいて自船位置を特定する自船位置自動検出手段Ｂが搭載されており、自船位置自動検出手段Ｂからも制御信号が制御装置４１に送られる。自船位置自動検出手段Ｂは制御装置４１の一部として観念される。

制御装置４１により、次のものの駆動が制御される。すなわち、第２ポンプ２８、混合タンク２５及び調整タンク２６の攪拌手段２８，４１と加温手段４０，４２、シャッター手段３７、希釈水管路４４の第４ポンプ４５、第２水溶液管路３１の噴霧開閉弁３２、燃料切り換え弁６、排気切り換え弁１７、ブロワー１４の駆動が制御される。

排気ガス中のＮＯｘの濃度が高いと、排気ガスの単位量に必要な尿素の量も多くなる。そこで、混合タンク２５では、想定される最も高いＮＯｘ濃度に対応した尿素濃度の水溶液を製造しておき、出力センサ７からの信号に基づいて、尿素水が浄化に必要な尿素濃度になるように第４ポンプ４５を駆動して希釈水を取り込む。所定の濃度になったら第４ポンプ４５の駆動を停止する。尿素水の濃度を濃くせねばならない場合は、第３ポンプ３０を駆動して高濃度の尿素水を取り込むことになる。

ＮＯｘの濃度と尿素水の濃度とは、ＮＯｘの僅かの濃度変化に対応して尿素濃度を敏感に調節する微調整方式とすることも可能であるが、エンジン１の出力範囲を例えば低出力・中出力・高出力のような複数のゾーンに分ける一方、尿素濃度も出力ゾーンに対応して低濃度・中濃度・高濃度のような複数の濃度エリアに分けておいて、出力ゾーンの変更に応じて濃度エリアを変えるというゾーン調節方式が現実的であるとも言える。なお、排気系には温度センサも設けており、排気ガスの温度が過剰に上昇した場合はブロワー１４から冷気が送られる。

制御装置４１に設けたメモリーには、どの海域でどのような排気ガス規制が行われているかという情報（規制マップ）がデジタルデータとして記憶されている。この情報は地球全体の情報を網羅したものでもよいし、航海範囲が限定されている場合は当該範囲（例えば、太平洋のみや東経○○〜△△度の範囲）に限定されていてもよい。規制内容は変更されることがあるので、規制マップデータは更新可能であるのが好ましい。なお、規制マップ用メモリーはＣＤのような外部媒体方式でもよいし、ハードディスクのような内蔵方式でもよい。

(4).制御の具体例
次に、図４の制御フローに基づいて、規制海域との関係における制御例を説明する。図４のフローは、規制対象海域から規制対象海域に入る場合を示している。まずシステムを立ち上げると、自船位置自動検出手段によって自船の位置が緯度と経度との二次元データとして特定される。次に、自船位置と規制マップとが照合（比較）されて、規制対象海域の外か内かが判断される。規制対象海域内である場合は使用燃料の確認等が判断されるが、本実施形態は規制対象海域外を前提にしているので説明は省略する。

自船が規制対象海域外にある場合は、燃料が一般燃料を使用しているか否かと、排気ガスがバイパス排気管１６でなくて主排気管８を通過しているか否かと、尿素水の噴霧が行われているか否かが確認される。一般燃料が使用されているか否かは燃料切り換え弁６に設けたセンサからの信号によって判断され、排気ガスが主排気管８を通過しているか否かは排気切り換え弁１７の開閉動によって作動するセンサからの信号で判断され、尿素水の噴霧が行われているか否かは噴霧開閉弁３２に設けたセンサからの信号によって判断される。

一般燃料が使用されていない場合、排気ガスが主排気管８を通過していない場合、尿素水が噴霧されていない場合は、それぞれ異常状態として警告がなされ、対処が済むまでシステムは停止する。一般燃料が使用されて浄化装置９も正常に作動してＮＯｘの除去が行われている場合は、自船位置と規制対象海域境界位置とが比較されて、規制対象海域までの到達距離が演算され、その距離が浄化システム切り換えに要する距離（正確には時間）として予め定められているターゲット距離の内か外かが判断される。ターゲット距離は、切り換えに必要な時間と航行速度とに基づいて定められる。ターゲット距離を航行速度に比例する変数に設定しておくとことも可能である（高速の場合は早く境界に到達するので、準備のためのターゲット距離は長くとっておく必要がある。）。

規制対象海域までの距離がターゲット距離よりも大きい場合は特段の措置はなされずにシステムは中断状態になり、所定時間が経過すると再びターゲット距離の内か外かが判断される。規制対象海域までの距離がターゲット距離よりも小さくなった場合は、燃料の切り換えや尿素水の噴霧停止切り換えの準備がなされる。準備としては、例えばアラームを発して、手作業が必要な行為については船員にその措置を取らせる。

切り換え準備処理から所定時間が経過したら、切り換え準備が完了したか否かが判断される。切り換え準備の完了は、例えば担当船員がボタン操作で信号を発することが行われる。所定時間の経過前に切り換え準備完了ボタンが押された場合は、切り換え準備完了か否かを判断するステップはパスして次に移行する。

ターゲット距離への進入後は、規制対象海域までの距離は短い時間間隔又はリアルタイムで演算されており、切り換え到達位置（例えば規制対象海域と規制対象外海域との境界から１〜数海里前の位置）に到達すると、燃料の切り換え等の浄化装置の切り換えが自動的に行われる。

本実施形態では、燃料がＡ重油に切り替わると排気ガスはバイパス排気管１６に流れて尿素水の噴霧は停止するようになっている。もとより、燃料のみを切り換えて、排気ガスは主排気管８を通過させてＮＯｘの浄化を継続することも可能である。

燃料の切り換え等のシステム変更が完了すると、燃料切り換え弁６に設けたセンサからの信号等により、切り換え終了が報告されて、システムは終了する。切り換え完了信号が受信されない場合は、どの位置にトラブルがあるかを明示した状態で警告が発せられ、手作業によってトラブルの原因が除去される。

以上の説明は規制対象外海域から規制対象海域に進入する場合の制御を示したが、規制対象海域から規制対象外海域に出る場合は、判断すべき事項が逆になるだけで基本的な流れは上記と同じである。また、上記の説明は規制対象海域に入る場合と規制対象海域から出る場合とでシステムを異にして説明したが、実際には、自船位置を特定したら、規制対象海域の内か外かが判断されて、その判断結果に基づいて大きくシステムを２つに枝分かれさせることになると言える。

(5).その他
本願発明は、上記の実施形態の他にも様々に具体化できる。例えば、どのような場面でどのような排気ガス対策に切り換えるかは、搭載している装置・設備や規制内容に基づいて変更できるのであり、例えば、粒子状物補集用の洗浄集塵装置を備えている場合は、規制対象海域への進入に合わせて洗浄集塵装置を稼働させることが可能である。触媒式浄化装置や洗浄集塵装置のように排気ガスに働きかける浄化装置を備えている場合、規制対象海域の内外で浄化能力を異ならせることも可能である。

更に、３種類以上の燃料を搭載しておいて規制内容の強弱に応じてこれらを使い分けることや、複数種類の燃料を混合してエンジンに供給できる場合において規制対象海域への出入りに応じて混合割合を変更することも可能である。

Ａ アンテナ
Ｂ 自船位置自動検出手段
１ エンジン
２ 発電機
３ 一般燃料タンク
４ 低硫黄燃料タンク
６ 燃料切り換え弁
８ 主排気管
９ 排気処理装置
１０ ＮＯｘ浄化用のＳＣＲ還元触媒
１１ スリップ触媒
１２ 消音器
１５ 尿素水の噴霧口
１６ バイパス排気管
１７ 排気切り換え弁
２５ 尿素水製造用の混合タンク
２６ 尿素水の濃度調整タンク
４１ 制御装置

Claims (1)

1. 排気ガスの浄化状態を切り換えできるエンジン（１）と、現在地を自動的に特定できる自船位置自動検出手段（Ｂ）とを搭載し、前記自船位置自動検出手段（Ｂ）は、衛星又は地上局若しくは両方から発信された電波に基づいて排気ガス規制対象海域の境界と自船との位置関係を特定するように作動する一方、
   前記エンジン（１）の排気系は、還元剤添加方式のＮＯｘ用排気処理装置（９）が接続された主排気管（８）と、排気ガスを前記ＮＯｘ用排気処理装置（９）に通さずに排出するバイパス排気管（１６）とを備え、
   自船が規制対象海域内にある場合は、前記バイパス排気管（１６）は閉じていて前記ＮＯｘ用排気処理装置（９）に還元剤を添加し、自船が規制対象海域外にある場合は、排気ガスを前記バイパス排気管（１６）に流して前記ＮＯｘ用排気処理装置（９）に還元剤を添加しないように構成し、
   排気ガスの浄化状態を切り換える制御装置（４１）に前記自船位置自動検出手段（Ｂ）を組み込み、前記制御手段（４１）には更に、どの海域でどのような排気ガス規制が成されているかという規制海域情報を記憶させ、前記自船位置自動検出手段（Ｂ）で検出した位置情報の規制海域情報との比較によって規制対象海域の境界までの距離を演算し、境界までの距離又は航行時間の目標値を定めて切り換えの準備状態と成し、
   更に、一般燃料用タンク（３）と高品質燃料用タンク（４）とを併設する一方、前記バイパス排気管（１６）を閉じた状態では一般燃料を使用し前記パイパス排気管（１６）に排気ガスを流す状態では高品質燃料を使用するように、燃料の種類を切り換える、
   というように制御する、
   船舶におけるエンジンの排気ガス浄化システム。

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