JP6323950B2 - 排気浄化装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関する。

従来、内燃機関からの排気に含まれるＮＯｘ（窒素酸化物）を低減させるために、選択還元型のＮＯｘ触媒（ＳＣＲ触媒）を配置した触媒反応器と還元剤であるアンモニアとを用いて、ＮＯｘを窒素と水とに還元する排気浄化装置が知られている。高温の排気中に噴射した尿素水からアンモニアを生成し、ＮＯｘ触媒と接触させることでＮＯｘを窒素と水に還元するものである。

このような排気浄化装置において、触媒反応器のＮＯｘ触媒にはＴｉ等の酸化物の担体にＶやＣｒ等の活性成分を含んだ材料を多数の貫通孔を有するハニカム構造に形成したものが用いられる。このように構成することで接触面積を増大し還元反応が促進する。その一方で、排気がこの貫通孔を通過する際に排気に含まれる煤塵がＮＯｘ触媒に付着して孔を閉塞し還元反応が低下する場合がある。このため、ＮＯｘ触媒に加圧空気を噴射することでＮＯｘ触媒に付着した煤塵の除去及び煤塵の付着を抑制するものがある。例えば、特許文献１に記載の如くである。

特許文献１に記載のような排気浄化装置（排煙脱硝装置）の触媒反応器（反応器）は、ＮＯｘ触媒に向けて噴射ノズルから加圧空気を噴射し、ＮＯｘ触媒に付着した煤塵に当てることで煤塵を除去する。しかし、排気浄化装置は、噴射ノズルの噴射範囲内に含まれるＮＯｘ触媒に付着した煤塵にしか加圧空気を当てることができない。このため、排気浄化装置は、加圧空気を噴射してもＮＯｘ触媒に付着した煤塵の全てが除去されず、ＮＯｘ触媒の浄化率を初期状態まで回復させることができない点で問題であった。

特開平８−１２６８１７号公報

本発明は、このような問題を解決すべくなされたものであり、ＮＯｘ触媒の浄化率（脱硝率）と差圧とを初期状態まで回復させることができる排気浄化装置１の提供を目的とする。

本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。

即ち、本発明においては、触媒が配置される触媒反応器内に加圧空気を噴射して触媒に付着した煤塵を除去する船舶搭載用の排気浄化装置において、スートブロアによって内圧が圧力Ｐである触媒反応器の筐体内に所定時間ｔで前記加圧空気が供給され、前記加圧空気は、供給後の筐体内の圧力（Ｐ＋ΔＩＰ）が所定値以上であるとともに、単位時間当たりの圧力増加率ΔＩＰ／ｔが所定値γ以上になるように供給され、前記筐体内には、急激な圧力上昇による衝撃波ＩＷが発生し、前記衝撃波ＩＷは、前記スートブロアの空気噴射ノズルを中心として筐体内の全方向に伝播し、筐体内に充満している排気を媒体として、前記筐体内の排気に接触しているＮＯｘ触媒の表面に到達して等しく作用し、前記ＮＯｘ触媒に付着した煤塵を除去するように構成したものである。
また、前記加圧空気を噴射する空気噴射ノズルの噴射口が前記触媒反応器の壁面近傍に配置されるものである。

本発明の効果として、以下に示すような効果を奏する。

本発明によれば、触媒反応器内の圧力変動によってＮＯｘ触媒から均一に煤塵が除去される。これにより、ＮＯｘ触媒の浄化率（脱硝率）と差圧とを初期状態まで回復させることができる。

本発明によれば、加圧空気がＮＯｘ触媒に直接当たらなくてもＮＯｘ触媒から均一に煤塵が除去される。これにより、ＮＯｘ触媒の浄化率（脱硝率）と差圧とを初期状態まで回復させることができる。

本発明によれば、ノズルのメンテナンスが容易になる。これにより、ＮＯｘ触媒の浄化率と差圧とを初期状態まで回復させることができる。

本発明に係る排気浄化装置の一実施形態における全体構成を示す図。 本発明に係る排気浄化装置の一実施形態における触媒反応器を示す図。 本発明に係る排気浄化装置の一実施形態における触媒反応器に設けられる空気噴射ノズルを示す拡大図。 本発明に係る排気浄化装置の一実施形態における報知手段示す概略図。 本発明に係る排気浄化装置の負荷率毎の差圧の経時変化を表すグラフを示す図。 本発明に係る排気浄化装置の排気流速と差圧の低下率との関係を表すグラフを示す図。 本発明に係る排気浄化装置の一実施形態における触媒反応器内でのスートブローの態様を示す概念図。 （ａ）本発明に係る排気浄化装置の一実施形態における煤塵が付着したＮＯｘ触媒の状態を表す写真を示す図（ｂ）本発明に係る排気浄化装置の一実施形態におけるスートブロー後のＮＯｘ触媒の状態を表す写真を示す図。 従来のスートブロアを備える排気浄化装置におけるスートブロー後のＮＯｘ触媒の状態を表す写真を示す図。 本発明に係る排気浄化装置の差圧上昇量と脱硝率の低下率との関係を表すグラフを示す図。 本発明に係る排気浄化装置の各初期差圧における基準差圧上昇量を表すグラフを示す図。 本発明に係る排気浄化装置の一実施形態におけるスートブローの基本制御態様を表すフローチャートを示す図。 本発明に係る排気浄化装置の一実施形態におけるスートブロー制御の制御態様を表すフローチャートを示す図。 本発明の一実施形態に係る排気浄化装置を備えるエンジンが搭載される船舶の構成を示す概略図。

以下に、図１から図４を用いて本発明に係る排気浄化装置の第一実施形態である排気浄化装置１について説明する。なお、本実施形態における「上流側」とは流体の流れ方向における上流側を示し、「下流側」とは流体の流れ方向における下流側を示す。なお、排気浄化装置１は、本実施形態に限定されるものではなく、加圧エアを用いないエアレス方式でもよい。

図１に示すように、排気浄化装置１は、発電機２８を駆動する内燃機関であるエンジン２２から排出される排気を浄化するものである。排気浄化装置１は、エンジン２２の排気管２３に設けられる。排気浄化装置１は、尿素水噴射ノズル２、尿素供給流路３、第１空気供給流路４、加圧空気供給ポンプ５（コンプレッサ）、エアタンク６、尿素用空気弁８、尿素水供給ポンプ９、切替弁１１、触媒反応器１２、スートブロア１５、差圧センサ２０、排気温度センサ２１および制御装置２６、報知手段２７等を具備する。なお、排気浄化装置１は、後述の船舶１００に設けられている主機１０５や補機１０６から排出される排気を浄化するものでもよい（図１４参照）。

尿素水噴射ノズル２は、尿素水を排気管２３の内部に供給するものである。尿素水噴射ノズル２は、管状部材から構成され、その一側（下流側）を触媒反応器１２又は排気管２３の外部から内部へ挿通するようにして設けられる。尿素水噴射ノズル２は、後述の触媒反応器１２の第１ＮＯｘ触媒１４ａよりも上流側に配置されている。尿素水噴射ノズル２には、尿素水の流路である尿素供給流路３が接続されている。また、尿素水噴射ノズル２には、加圧空気の流路である第１空気供給流路４が接続されている。

加圧空気供給ポンプ５は、加圧空気を供給するものである。加圧空気供給ポンプ５は、空気を加圧（圧縮）して供給する。加圧空気供給ポンプ５は、エアタンク６（リザーバタンク７）の圧力が所定の圧力を下回った場合、空気をエアタンク６（リザーバタンク７）に供給し、エアタンク６（リザーバタンク７）の圧力が所定の圧力に達すると停止する。なお、加圧空気供給ポンプ５は、本実施形態において、特に限定するものではなく、エアタンク６（リザーバタンク７）の圧力を維持できるものであればよい。

尿素用空気弁８は、加圧空気の流路を連通又は遮断するものである。尿素用空気弁８は、第１空気供給流路４に設けられる。尿素用空気弁８は、電磁弁で構成され、図示しないスプールを摺動させることにより第１空気供給流路４を遮断又は連通可能に構成されている。つまり、尿素用空気弁８が第１空気供給流路４を連通状態にすることで尿素水噴射ノズル２に加圧空気が供給される。なお、尿素用空気弁８は、本実施形態に限定されるものではなく、加圧空気の流路を連通又は遮断するものであればよい。

尿素水供給ポンプ９は、尿素水を供給するものである。尿素水供給ポンプ９は、尿素供給流路３に設けられる。尿素水供給ポンプ９は、尿素水タンク１０内の尿素水を所定の流量で尿素供給流路３を介して尿素水噴射ノズル２に供給する。なお、尿素水供給ポンプ９は、本実施形態に限定するものではなく尿素水を供給するものであればよい。

切替弁１１は、尿素水の流路を切り替えるものである。切替弁１１は、尿素供給流路３の尿素水供給ポンプ９の下流側に設けられる。切替弁１１は、電磁弁から構成され、図示しないスプールを摺動させることにより尿素供給流路３を遮断又は連通可能に構成されている。つまり、切替弁１１が尿素供給流路３を連通状態にすることで尿素水噴射ノズル２に尿素水が供給される。なお、切替弁１１は、本実施形態に限定されるものではなく尿素水の流路を切り替えるものであればよい。

触媒反応器１２は、内部に配置されたＮＯｘ触媒によって排気中のＮＯｘを選択還元するものである。触媒反応器１２は、筐体１３およびＮＯｘ触媒１４を具備する。

図１と図２に示すように、筐体１３の一側端部には、エンジン２２と接続されている排気管２３が接続されている。筐体１３の他側端部には、外部に開放されている排気管２３が接続されている。つまり、筐体１３は、一側から他側に向かってエンジン２２からの排気が流れる排気流路として構成されている。筐体１３の内部には、ＮＯｘ触媒１４が配置されている。ＮＯｘ触媒１４は、筐体１３の一側（排気の上流側）から順に第１ＮＯｘ触媒１４ａ、第２ＮＯｘ触媒１４ｂおよび第３ＮＯｘ触媒１４ｃが所定の間隔で配置されている。筐体１３は、第１ＮＯｘ触媒１４ａ、第２ＮＯｘ触媒１４ｂおよび第３ＮＯｘ触媒１４ｃをその内部に密閉可能かつ着脱可能に構成されている。なお、筐体１３の内部に配置されているＮＯｘ触媒１４の数は、本実施形態に限定するものではない。

ＮＯｘ触媒１４は、例えばアルミナ、ジルコニア、バナジア／チタニア又はゼオライト等の金属を含有する材料から形成されている。ＮＯｘ触媒１４は、多数の貫通孔が形成されたハニカム構造を有する略直方体から構成されている。ＮＯｘ触媒１４は、貫通孔の軸方向が排気の流れ方向と一致するように触媒反応器１２の筐体１３の内部に配置されている。従って、触媒反応器１２は、筐体１３の一側から供給される排気が第１ＮＯｘ触媒１４ａ、第２ＮＯｘ触媒１４ｂおよび第３ＮＯｘ触媒１４ｃの順に各ＮＯｘ触媒１４の貫通孔を通過して筐体１３の他側から排出されるように構成されている。

図１から図３に示すように、スートブロア１５は、加圧空気によってＮＯｘ触媒に付着した煤塵を除去するものである。スートブロア１５は、空気噴射ノズル１６、噴射弁１７、圧力制御弁１８および第２空気供給流路１９を具備する。

空気噴射ノズル１６は、加圧空気を噴射するものである。空気噴射ノズル１６は、無指向性ノズルから構成されている。空気噴射ノズル１６は、触媒反応器１２の筐体１３における任意の位置に噴射口を筐体１３内へ挿通するようにして筐体１３の壁面に取り付けられている。この際、空気噴射ノズル１６は、噴射口を筐体１３内の任意の方向に向けて筐体１３の壁面近傍に配置されている。つまり、空気噴射ノズル１６は、噴射口が触媒反応器１２の筐体１３内に配置されていればよい。従って、図３に示すように、空気噴射ノズル１６は、筐体１３から取り外すために筐体１３から離間する方向（図３における黒塗り矢印参照）に大きな空間を必要としない。空気噴射ノズル１６は、加圧空気の流路である第２空気供給流路１９を介してリザーバタンク７に接続されている。リザーバタンク７は、離間した位置に配置されているエアタンク６に接続されている。

噴射弁１７は、加圧空気の流路を連通又は遮断するものである。噴射弁１７は、パイロットエアによる電磁式開閉弁から構成されている。噴射弁１７は、空気噴射ノズル１６に接続されている第２空気供給流路１９に設けられる。噴射弁１７は、リザーバタンク７から空気噴射ノズル１６へ加圧空気を供給するか否かを切り換えられるように構成されている。具体的には、噴射弁１７は、図示しないスプールを摺動させることにより第２空気供給流路１９を遮断又は連通可能に構成されている。空気噴射ノズル１６は、噴射弁１７が第２空気供給流路１９を連通状態にすることで加圧空気が供給される。なお、噴射弁１７は、本実施形態に限定されるものではなく加圧空気の流路を連通又は遮断するものであればよい。

圧力制御弁１８は、加圧空気の圧力を変更するものである。圧力制御弁１８は、噴射弁１７よりも上流側の第２空気供給流路１９に設けられる。圧力制御弁１８は、電磁比例弁で構成され、加圧空気の圧力を変更可能に構成されている。これにより、スートブロア１５は、圧力制御弁１８によって供給圧力やＮＯｘ触媒１４の状態に応じて加圧空気の圧力が変更される。なお、圧力制御弁１８は、本実施形態に限定されるものではなく加圧空気の圧力を変更するものであればよい。また、圧力制御弁１８と合わせて、欠け円形状の仕切り板等で第２空気供給流路１９の流路断面積を変更することで流量を調整してもよい。

第２空気供給流路１９は、加圧空気を供給するものである。第２空気供給流路１９は、リザーバタンク７と空気噴射ノズル１６とを接続している。図２と図３とに示すように、第２空気供給流路１９は、空気噴射ノズルが接続されている端部が屈曲されて触媒反応器１２の筐体１３の壁面に沿うように形成されている。すなわち、第２空気供給流路１９は、筐体１３のうち、空気噴射ノズル１６が配置されている筐体１３の側面と異なる側面の方向へ配管されている。これにより、排気浄化装置１は、触媒反応器１２の空気噴射ノズル１６が設けられている方向（図３における黒塗り矢印参照）に空気噴射ノズル１６のメンテナンスのための空間を確保する必要がない。

図１に示すように、差圧センサ２０は、触媒反応器１２の上流側排気圧と下流側排気圧との差圧ΔＰを検出するものである。差圧センサ２０は、上流側圧力センサ２０ａと下流側圧力センサ２０ｂとから構成されている。上流側圧力センサ２０ａは、触媒反応器１２の上流側に配置され、下流側圧力センサ２０ｂは、触媒反応器１２の下流側に配置されている。つまり、差圧センサ２０は、第１ＮＯｘ触媒１４ａの上流側の排気圧力と第３ＮＯｘ触媒１４ｃの下流側の排気圧力との差圧ΔＰを検出するように構成されている。このように構成することにより、差圧ΔＰの値からＮＯｘ触媒１４の貫通孔の閉塞の有無やその度合いを検出することができる。

排気温度センサ２１は、排気温度Ｔを検出するものである。排気温度センサ２１は、排気管２３の途中部であって排気マニホールドの近傍に配置されている。このように構成することにより、エンジン２２において燃焼した直後の排気温度Ｔを検出することができる。

排気管２３は、エンジン２２からの排気を外部（大気）に排出するものである。排気管２３には、排気浄化装置１の尿素水噴射ノズル２および触媒反応器１２が設けられている。また、排気管２３には、尿素水噴射ノズル２の上流側に分岐管２３ａと排気の通過経路を切り替える第１開閉弁２３ｂ、第２開閉弁２３ｃが設けられている。つまり、排気管２３には、上流側から、第１開閉弁２３ｂ、第２開閉弁２３ｃ、尿素水噴射ノズル２の順で配置されている。分岐管２３ａは、排気管２３に接続されている。第１開閉弁２３ｂは、分岐管２３ａの内部に配置されている。第２開閉弁２３ｃは、尿素水噴射ノズル２の上流側であって分岐管２３ａの下流側の排気管２３の内部に配置されている。

第１開閉弁２３ｂ、第２開閉弁２３ｃは、互いに連動して開閉可能に構成されている。具体的には、第１開閉弁２３ｂ、第２開閉弁２３ｃは、第２開閉弁２３ｃが開状態のときに第１開閉弁２３ｂを閉状態になり、第２開閉弁２３ｃが閉状態のときに第１開閉弁２３ｂを開状態になるように構成されている。これにより、第２開閉弁２３ｃが開状態かつ第１開閉弁２３ｂが閉状態の場合、排気管２３は、排気が排気浄化装置１に供給される経路が構成されている（図１の状態）。一方、第２開閉弁２３ｃが閉状態かつ第１開閉弁２３ｂが開状態の場合、排気管２３は、排気が排気浄化装置１で浄化されずに分岐管２３ａを通じて外部（大気）に放出される経路が構成されている。なお、排気管２３には、上流側から、尿素水噴射ノズル２、第１開閉弁２３ｂ、第２開閉弁２３ｃの順で配置しても良い。この場合、尿素水を噴射する場合に、第１開閉弁２３ｂは閉となるよう制御される。

また、別実施形態として、分岐管２３ａの接続部分に排気管２３と分岐管２３ａとのいずれか一方を選択的に閉状態にする排気切替弁１１を分岐管２３ａの接続部分に設ける構成としてもよい。分岐管２３ａが閉状態の場合、排気管２３は、排気が排気浄化装置１に供給される経路を構成する。一方、排気管２３が閉状態の場合、排気管２３は、排気が排気浄化装置１で浄化されずに分岐管２３ａを通じて外部（大気）に放出される経路を構成する。

ＥＣＵ２４はエンジン２２を制御するものである。ＥＣＵ２４は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＨＤＤ等がバスで接続される構成であってもよく、あるいはワンチップのＬＳＩ等からなる構成であってもよい。ＥＣＵ２４は、エンジン回転速度Ｎおよび燃料噴射量Ｆについての情報を取得することが可能である。

制御装置２６は、尿素用空気弁８、尿素水供給ポンプ９、切替弁１１、噴射弁１７、圧力制御弁１８第１開閉弁２３ｂおよび第２開閉弁２３ｃ等を制御する。制御装置２６には、尿素用空気弁８、尿素水供給ポンプ９、切替弁１１、噴射弁１７、圧力制御弁１８、第１開閉弁２３ｂおよび第２開閉弁２３ｃ等を制御するための種々のプログラムやデータ、排気の規制区域を算出する規制区域マップＭ１、エンジン回転速度Ｎ、燃料噴射量Ｆおよび排気温度Ｔに基づいて排気流速を算出する排気流速マップＭ２、各排気流速における初期状態での触媒反応器１２の差圧である初期差圧ΔＰｉを算出する初期差圧マップＭ３および各初期差圧ΔＰｉにおいて触媒の経年劣化による交換等が必要な第１基準差圧上昇量ΔＰｔ１と通常の所定条件におけるスートブローとは異なる条件であり、更に洗浄効果が高いスートブローが必要な第２基準差圧上昇量ΔＰｔ２を算出する基準差圧上昇量マップＭ４等が格納されている。制御装置２６は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＨＤＤ等がバスで接続される構成であってもよく、あるいはワンチップのＬＳＩ等からなる構成であってもよい。また、制御装置２６は、エンジン２２を制御するＥＣＵ２４と一体的に構成することも可能である。

図４に示すように、報知手段２７は、排気浄化装置１の状態を操作者に報知するものである。報知手段は、制御装置が格納されている制御盤２６ａに設けられている。報知手段２７は、排気浄化装置の状態を示す表示画面２７ａや、警報音を発するスピーカー２７ｂおよび警報の発報を停止させるスイッチ２７ｃ等から構成されている。

制御装置２６は、尿素用空気弁８のソレノイドに接続され、尿素用空気弁８の開閉を制御することが可能である。

制御装置２６は、尿素水供給ポンプ９の駆動モータに接続され、尿素水供給ポンプ９の運転状態を制御することが可能である。すなわち、制御装置２６は、尿素水供給ポンプ９の運転状態を制御することで排気に添加する尿素水の添加量を任意に変更することができる。

制御装置２６は、切替弁１１に接続され、切替弁１１の開閉を制御することが可能である。

制御装置２６は、噴射弁１７に接続され、噴射弁１７の開閉を制御することが可能である。

制御装置２６は、圧力制御弁１８に接続され、圧力制御弁１８の開閉を制御することが可能である。

制御装置２６は、差圧センサ２０に接続され、差圧センサ２０が検出する触媒反応器１２の上流側排気圧と下流側排気圧との差圧ΔＰについての信号を取得することが可能である。

制御装置２６は、第１開閉弁２３ｂ、第２開閉弁２３ｃに接続され、第１開閉弁２３ｂ、第２開閉弁２３ｃの開閉を制御することが可能である。

制御装置２６は、ＥＣＵ２４に接続され、ＥＣＵ２４が取得するエンジン回転速度Ｎおよび燃料噴射量Ｆやエンジン２２に関する各種情報をそれぞれ取得することが可能である。また、制御装置２６は、エンジン２２に関する各情報についてＥＣＵ２４を介さずに直接取得する場合もある。

制御装置２６は、ＧＰＳ（全地球測位システム）装置２５に接続され、ＧＰＳ装置２５が検出した位置を取得することが可能である。また、図示しない入力装置に接続され、入力装置から入力される目標浄化率および尿素水の濃度についての信号を取得することが可能である。もしくは、目標浄化率および尿素水の濃度の上方をあらかじめインプットして定義しておくことが可能である。

制御装置２６は、報知手段２７に接続され、排気浄化装置１の状態を通知したりＮＯｘ触媒１４の異常劣化を示す触媒異常警報を発報したりすることが可能である。

このように構成されている排気浄化装置１において、例えば船舶に搭載されている場合、制御装置２６は、ＧＰＳ装置２５が検出した船舶の現在位置を取得し、規制区域マップＭ１から現在位置が排気の規制区域（規制海域）であるか否か判断する。制御装置２６は、現在位置が排気の規制区域であると判断した場合、第２開閉弁２３ｃを開状態かつ第１開閉弁２３ｂを閉状態に制御する。すなわち、排気は、排気浄化装置１によって浄化された後に外部へ排出される。制御装置２６は、現在位置が排気の規制区域でないと判断した場合、第２開閉弁２３ｃを閉状態かつ第１開閉弁２３ｂを開状態に制御する。すなわち、排気は、排気浄化装置１で浄化されずに分岐管２３ａを通じて外部へ排出される。なお、制御装置２６は、手動による第１開閉弁２３ｂ、第２開閉弁２３ｃの開閉信号を取得し、開閉信号に従って第１開閉弁２３ｂ、第２開閉弁２３ｃを制御することも可能である。

次に、図５と図６とを用いて、排気浄化装置１におけるエンジン２２の負荷率Ｗｒ（排気流速Ｖｅ）毎の差圧ΔＰの経時変化について説明する。図５は、所定のエンジン回転速度Ｎにおける各負荷率Ｗｒでの触媒反応器１２の差圧上昇量（ΔＰ−ΔＰｉ）の経時変化を表したものである。

図５に示すように、エンジン２２を所定のエンジン回転速度Ｎにおいて負荷率１００％および負荷率７５％で運転した場合、触媒反応器１２の差圧上昇量（ΔＰ−ΔＰｉ）は、運転時間の経過に対して緩やかに増加する。一方、エンジン２２を所定のエンジン回転速度Ｎにおいて負荷率２５％で運転した場合、触媒反応器１２の差圧上昇量（ΔＰ−ΔＰｉ）は、負荷率１００％および負荷率７５％で運転した場合に比べて急速に増加する。ここで、触媒反応器１２の差圧ΔＰは、ＮＯｘ触媒１４に煤塵が付着し、ＮＯｘ触媒１４が目詰まりすることで上昇する。つまり、ＮＯｘ触媒１４は、エンジン２２の負荷率Ｗｒが低いほど煤塵が付着しやすい。これは、エンジン２２の負荷率Ｗｒが低い場合に排気流速Ｖｅが下がるため、排気の力が作用することによりＮＯｘ触媒１４から除去される煤塵の量が減少するためである。従って、図６に示すように、排気浄化装置１は、排気流速Ｖｅが遅いほど（負荷率Ｗｒが低いほど）スートブローによってＮＯｘ触媒１４から煤塵が除去されたことによる触媒反応器１２の差圧ΔＰの低下率が大きくなる。これにより、排気浄化装置１は、スートブローによる触媒反応器１２の差圧ΔＰの低下率αが所定値以上になる基準排気流速Ｖｔ以下の排気速度Ｖｅでスートブローを実施することで、効率的な煤塵の除去を行うことができる。

次に、図７から図９を用いて、排気浄化装置１におけるスートブローの方式である瞬時加圧方式について説明する。

排気浄化装置１は、スートブロア１５によって内圧が圧力Ｐである触媒反応器１２の筐体１３内に時間ｔで加圧空気が供給される。この際、加圧空気は、以下の数１に示すとおり、供給後の筐体１３内の圧力（Ｐ＋ΔＩＰ）が所定値β以上であるとともに、以下の数２に示す通り、単位時間当たりの圧力増加率ΔＩＰ／ｔが所定値γ以上になるように供給される。これにより、筐体１３内には、急激な圧力上昇による衝撃波ＩＷが発生する。衝撃波ＩＷは、図７に示すように、スートブロア１５の空気噴射ノズル１６から筐体１３内の排気を媒体として筐体１３内に球状に伝播する。衝撃波ＩＷは、筐体１３内には排気が充満していることから、空気噴射ノズル１６の向きや筐体１３における位置に関わらず、空気噴射ノズル１６を中心にして筐体１３内の全方向に伝播する。つまり、衝撃波ＩＷは、筐体１３内の排気に接触しているＮＯｘ触媒１４の全ての表面に到達する。

加圧空気をＮＯｘ触媒１４に当てて煤塵を除去する従来の方式による排気浄化装置では、加圧空気が当たったＮＯｘ触媒の部分に付着している煤塵にのみ加圧空気の力が作用する。このため、図９に示すＮＯｘ触媒のように、ノズルの噴射範囲に含まれないＮＯｘ触媒の部分に付着している煤塵には、加圧空気の力が作用せず煤塵が除去されない（図９における目詰まり部分）。一方、本発明に係る瞬時加圧方式による排気浄化装置１では、筐体１３内の排気と接触しているＮＯｘ触媒１４の表面に付着している煤塵に衝撃波ＩＷによる力が等しく作用する。このため、図８（ａ）に示すように、ＮＯｘ触媒１４の表面に付着している煤塵は、図８（ｂ）に示すように、衝撃波ＩＷによる力の作用によりその大半がむら無く除去される。

次に、図１０と図１１とを用いて、排気浄化装置１におけるエンジン２２の負荷率Ｗｒ（排気流速Ｖｅ）毎の触媒反応器１２の差圧ΔＰの上昇量と脱硝率の低下量との関係について説明する。図１０は、所定のエンジン回転速度Ｎにおける各負荷率Ｗｒでの差圧ΔＰの上昇量と脱硝率の低下量を表したものである。図１１は、各初期差圧ΔＰｉにおける第１基準差圧上昇量ΔＰｔ１と第２基準差圧上昇量ΔＰｔ２とを表した基準差圧上昇量マップＭ４である。

図１０に示すように、排気浄化装置１は、エンジン２２の負荷率に関わらず、長期的な運転によってＮＯｘ触媒残留煤塵が堆積し、触媒反応器１２の初期差圧ΔＰｉと現状の差圧ΔＰとの差が増加するとともに脱硝率が低下する。従って、排気浄化装置１は、任意の排気流速Ｖｅにおける触媒反応器１２の初期差圧ΔＰｉと現状の差圧ΔＰとの差から脱硝率の低下量が推測される。これにより、排気浄化装置１は、各負荷率Ｗｒにおいて脱硝率の低下率が所定値ε以上になる触媒反応器１２の初期差圧ΔＰｉと現状の差圧ΔＰとの差の基準値である第１基準差圧上昇量ΔＰｔ１以上において、経年劣化により触媒交換や手動による清掃を行うことで長期的な運転にＮＯｘ触媒１４の脱硝率の低下を抑制することができる。同様に、排気浄化装置１は、各負荷率Ｗｒにおいて脱硝率の低下率が所定値ζ以上になる触媒反応器１２の初期差圧ΔＰｉと現状の差圧ΔＰとの差の基準値である第２基準差圧上昇量ΔＰｔ２以上において、通常のスートブローよりも洗浄効果が高いスートブローを行うことで長期的な運転にＮＯｘ触媒１４の脱硝率の低下を抑制することができる。また、排気浄化装置１は、ＮＯｘ濃度センサ等を備えている場合、各負荷率Ｗｒにおいて、差圧上昇量から算出した脱硝率の低下率と取得したＮＯｘ濃度とを比較することでＮＯｘ触媒の異常劣化（図１０における中破線部分）を検出することができる。

従って、図１１に示すように、各初期差圧ΔＰｉにおける触媒の経年劣化による交換等が必要な第１基準差圧上昇量ΔＰｔ１と通常のスートブローよりも洗浄効果が高いスートブローが必要な第２基準差圧上昇量ΔＰｔ２を定めた基準差圧上昇量マップＭ４に基づいて、初期差圧ΔＰｉと差圧上昇量（ΔＰ−ΔＰｉ）とからスートブロア１５の制御態様を決定することができる。

以下では、図１２と図１３とを用いて、本発明に係る排気浄化装置１の一実施形態である排気浄化装置１におけるスートブロア１５の制御態様について説明する。なお、本実施形態において、洗浄装置１は、図１４に示す船舶１００に搭載されているものとするがこれに限定されるものではなく、陸上に設置された発電機用のエンジン等に設けてもよい。

制御装置２６は、排気浄化装置１が搭載されている船舶１００の現在位置が、排気の規制区域内であるとき、触媒反応器１２の差圧ΔＰと算出した触媒反応器１２の初期差圧ΔＰｉとの差が第１基準差圧上昇量ΔＰｔ１未満である場合、スートブロー制御を開始する。一方、制御装置２６は、触媒反応器１２の差圧ΔＰと算出した触媒反応器１２の初期差圧ΔＰｉとの差が第１基準差圧上昇量ΔＰｔ１以上の場合、差圧異常として警報を発報する。

スートブロー制御において、制御装置２６は、触媒反応器１２の差圧ΔＰと算出した触媒反応器１２の初期差圧ΔＰｉとの差が第２基準差圧上昇量ΔＰｔ２未満、かつ算出した排気流速Ｖｅが基準排気流速Ｖｔ未満である場合、標準モードによるスートブローを行う。一方、制御装置２６は、触媒反応器１２の差圧ΔＰと算出した触媒反応器１２の初期差圧ΔＰｉとの差が第２基準差圧上昇量ΔＰｔ２以上の場合、洗浄モードによるスートブローを行い、算出した排気流速Ｖｅが基準排気流速Ｖｔ以上である場合、スートブローを行わない。ここで、洗浄モードでのブロー圧は、標準モードでのブロー圧（例えば０．５ＭＰａ）よりも高く設定され（例えば０．８ＭＰａ）、洗浄モードでのブロー間隔は、標準モードでのブロー間隔（例えば３０ｍｉｎ）よりも短く設定され（例えば１５ｍｉｎ）、洗浄モードでのブロー回数は、標準モードでのブロー回数（例えば３回）よりも多く設定されている（例えば５回）。

次に、本発明に係る排気浄化装置１の一実施形態である排気浄化装置１におけるスートブロア１５の制御態様について具体的に説明する。なお、制御装置２６は、エンジン２２の発停に連動してスートブロー１５の制御を行うものとする。

図１２に示すように、ステップＳ１１０において、制御装置２６は、ＧＰＳ装置２５が検出した船舶１００の現在位置を取得し、ステップをステップＳ１２０に移行させる。

ステップＳ１２０において、制御装置２６は、規制区域マップＭ１に基づいて取得した船舶１００の現在位置が規制区域内か否か判断する。その結果、取得した船舶１００の現在位置が規制区域内であると判定した場合、制御装置２６はステップをステップＳ１３０に移行させる。一方、取得した船舶１００の現在位置が規制区域内でないと判定した場合、制制御装置２６はステップをステップＳ２３０に移行させる。

ステップＳ１３０において、制御装置２６は、第１開閉弁２３ｂを閉状態に切り替え、第２開閉弁２３ｃを開状態に切り替え、ステップをステップＳ１４０に移行させる。

ステップＳ１４０において、制御装置２６は、ＥＣＵ２４からエンジン回転速度Ｎおよび燃料噴射量Ｆを取得し、差圧センサ２０から触媒反応器１２の差圧ΔＰを取得し、排気温度センサ２１から排気温度Ｔを取得し、ステップをステップＳ１５０に移行させる。

ステップＳ１５０において、制御装置２６は、取得したエンジン回転速度Ｎ、燃料噴射量Ｆおよび排気温度Ｔから排気流速マップＭ２に基づいて排気流速Ｖｅを算出し、ステップをステップＳ１６０に移行させる。

ステップＳ１６０において、制御装置２６は、算出した排気流速Ｖｅから初期差圧マップＭ３に基づいて排気流速Ｖｅにおける触媒反応器１２の初期差圧ΔＰｉを算出し、ステップをステップＳ１７０に移行させる。

ステップＳ１７０において、制御装置２６は、算出したΔＰｉから基準差圧上昇量マップＭ４に基づいて触媒の経年劣化により触媒の交換等が必要と判断される第１基準差圧上昇量ΔＰｔ１と通常のスートブローよりも洗浄効果が高いスートブローが必要と判断される第２基準差圧上昇量ΔＰｔ２を算出し、ステップをステップＳ１８０に移行させる。

ステップＳ１８０において、制御装置２６は、取得した触媒反応器１２の差圧ΔＰと算出した触媒反応器１２の初期差圧ΔＰｉとの差が算出した第１基準差圧上昇量ΔＰｔ１未満か否か判断する。その結果、取得した触媒反応器１２の差圧ΔＰと算出した触媒反応器１２の初期差圧ΔＰｉとの差が算出した第１基準差圧上昇量ΔＰｔ１未満であると判定した場合、制御装置２６はステップをステップＳ３００に移行させる。一方、取得した触媒反応器１２の差圧ΔＰと算出した触媒反応器１２の初期差圧ΔＰｉとの差が算出した第１基準差圧上昇量ΔＰｔ１未満でないと判定した場合、ステップをステップＳ２９０に移行させる。

ステップＳ３００において、制御装置２６は、スートブロー制御Ａを開始し、ステップをステップ３１０に移行させる（図１３参照）。

ステップＳ２３０において、制御装置２６は、第１開閉弁２３ｂを開状態に切り替え、第２開閉弁２３ｃを閉状態に切り替え、ステップをステップＳ１１０に移行させる。

ステップＳ２９０において、制御装置２６は報知手段２７によって差圧異常警報を発報し、ステップをステップＳ１１０に移行させる。

図１３に示すように、ステップＳ３１０において、制御装置２６は、取得した触媒反応器１２の差圧ΔＰと算出した触媒反応器１２の初期差圧ΔＰｉとの差が算出した第２基準差圧上昇量ΔＰｔ２未満か否か判断する。その結果、取得した触媒反応器１２の差圧ΔＰと算出した触媒反応器１２の初期差圧ΔＰｉとの差が算出した第２基準差圧上昇量ΔＰｔ２未満であると判定した場合、制御装置２６はステップをステップＳ３２０に移行させる。一方、取得した触媒反応器１２の差圧ΔＰと算出した触媒反応器１２の初期差圧ΔＰｉとの差が算出した第２基準差圧上昇量ΔＰｔ２未満でないと判定した場合、ステップをステップＳ３４０に移行させる。

ステップＳ３２０において、制御装置２６は、算出した排気流速Ｖｅが基準排気流速Ｖｔ未満か否か判断する。その結果、算出した排気流速Ｖｅが基準排気流速Ｖｔ未満であると判定した場合、制御装置２６はステップをステップＳ３３０に移行させる。一方、算出した排気流速Ｖｅが基準排気流速Ｖｔ未満でないと判定した場合、制制御装置２６はスートブロー制御Ａを終了し、ステップをステップＳ１１０に移行させる（図１２参照）。

ステップＳ３３０において、制御装置２６は、通常のスートブローである標準モードでスートブローを行い、スートブロー制御Ａを終了し、ステップをステップＳ１１０に移行させる（図１２参照）。

ステップＳ３４０において、制御装置２６は、通常の所定条件におけるスートブローとは異なる条件であり、更に洗浄力が強いスートブローの条件である洗浄モードでスートブローを行い、スートブロー制御Ａを終了し、ステップをステップＳ１１０に移行させる（図１２参照）。

この様に構成することで、排気浄化装置１は、エンジン２２の運転状態に基づいて効率的に煤塵が除去できる態様でスートブローが行われる。これにより、排気浄化装置１は、スートブローによる煤塵の除去率の向上と、スートブローに使用される加圧空気量の抑制を両立させることができる。

また、排気浄化装置１は、排気を媒体として加圧空気を利用した衝撃波ＩＷを伝播させることで排気と接触しているＮＯｘ触媒１４の表面の全域に衝撃波ＩＷの力を作用させる。つまり、触媒反応器１２内の圧力変動によってＮＯｘ触媒１４から均一に煤塵が除去される。これにより、排気浄化装置１は、ＮＯｘ触媒１４の浄化率（脱硝率）と差圧ΔＰとを初期状態まで回復させることができる。

また、排気浄化装置１は、経時的な変化によるＮＯｘ触媒１４への残留煤塵の堆積が触媒反応器１２の差圧ΔＰの増加によって推測される。これにより、排気浄化装置１は、経時的な変化によるＮＯｘ触媒１４の浄化率（脱硝率）の低下を通常とは異なるスートブローを行うことで抑制することができる。

また、排気浄化装置１は、差圧上昇量（ΔＰ−ΔＰｉ）に基づいてＮＯｘ触媒１４の異常を判定し、操作者に報知することで適切な対応がされる。さらに、排気浄化装置１は、ＮＯｘ濃度センサを備えている場合、ＮＯｘ触媒１４の差圧上昇量から浄化率（脱硝率）の低下分を算出し、エンジン２２の燃料噴射量Ｆや燃料噴射時期を変更することでＮＯｘ排出量を減少させて、ＮＯｘ触媒１４の負担を低減させるように構成してもよい。これにより、排気浄化装置１は、煤塵の堆積による経年的なＮＯｘ触媒１４の脱硝率の低下を補うことができる。

ここで、図１４を用いて、本発明に係る過給機を備えるエンジン２２１が搭載される船舶の第一実施形態である船舶１００について説明する。

図１４に示すように、船舶１００は、船体１０１、船橋１０２、機関室１０３、プロペラ１０４および舵１０８を具備している。船舶１００は、船体１０１の上部に操縦室等を有する船橋１０２が設けられている。また、船舶１００は、船体１０１の後方に機関室１０３が設けられている。機関室１０３には、プロペラ１０４を駆動する内燃機関である主機１０５と、発電機１０７を駆動する内燃機関である補機１０６とが設けられている。船体１０１の船尾には、プロペラ１０４と舵１０８とが設けられている。船舶１００は、プロペラ軸１０４ａを介して主機１０５の動力がプロペラ１０４に伝達可能に構成されている。

ここで、主機１０５と補機１０６とは、軽油若しくは重油を燃料とするディーゼルエンジン２２であるエンジン２２１から構成されている。エンジン２２１は、外気と燃料とを混合して燃焼させることで出力軸を回転駆動させる。なお、エンジン２２１は、ディーゼルエンジン２２に限定されるものではない。

１ 排気浄化装置
１２ 触媒反応器
１４ ＮＯｘ触媒
１５ スートブロア
１６ 空気噴射ノズル
１７ 噴射弁

Claims (2)

1. 触媒が配置される触媒反応器内に加圧空気を噴射して触媒に付着した煤塵を除去する船舶搭載用の排気浄化装置において、
   スートブロアによって内圧が圧力Ｐである触媒反応器の筐体内に所定時間ｔで前記加圧空気が供給され、
   前記加圧空気は、供給後の筐体内の圧力（Ｐ＋ΔＩＰ）が所定値以上であるとともに、単位時間当たりの圧力増加率ΔＩＰ／ｔが所定値γ以上になるように供給され、
   前記筐体内には、急激な圧力上昇による衝撃波ＩＷが発生し、
   前記衝撃波ＩＷは、前記スートブロアの空気噴射ノズルを中心として筐体内の全方向に伝播し、筐体内に充満している排気を媒体として、前記筐体内の排気に接触しているＮＯｘ触媒の表面に到達して等しく作用し、前記ＮＯｘ触媒に付着した煤塵を除去するように構成した
   ことを特徴とする船舶搭載用の排気浄化装置。
2. 前記加圧空気を噴射する空気噴射ノズルの噴射口が前記触媒反応器の壁面近傍に配置される
   請求項１に記載の船舶搭載用の排気浄化装置。