JP6906961B2 - 排ガス後処理システムおよび内燃機関 - Google Patents

Description

本発明は内燃機関の排ガス後処理システムに関する。本発明はまた、排ガス後処理システムを備える内燃機関に関する。

例えば発電所において用いられる、定置式内燃機関における燃焼プロセスに際して、および例えば船舶で用いられる非定置式内燃機関における燃焼プロセスに際して、窒素酸化物が生じ、当該窒素酸化物は典型的に、石炭、硬石炭、褐炭、原油、重油、またはディーゼル燃料などの硫黄を含有する化石燃料を燃焼させる際に生じる。従って、このような内燃機関には排ガス後処理システムが配設されており、当該排ガス後処理システムは、内燃機関から出る排ガスを浄化する、特に脱窒する働きをする。

排ガス内の窒素酸化物を還元するために、実践から知られている排ガス後処理システムでは、第一にいわゆるＳＣＲ触媒が用いられる。ＳＣＲ触媒では、窒素酸化物の選択的触媒還元が行われ、窒素酸化物の還元のために、還元剤としてアンモニア（ＮＨ_３）が必要とされる。このためにアンモニア、もしくは尿素のようなアンモニア前駆物質が、ＳＣＲ触媒の上流で液体として排ガスに導入され、アンモニアもしくはアンモニア前駆物質はＳＣＲ触媒の上流で、排ガスと混合される。このために実践では、アンモニアもしくはアンモニア前駆物質の導入部と、ＳＣＲ触媒との間に混合経路が設けられている。

実践から知られている排ガス後処理システムであって、ＳＣＲ触媒を含む排ガス後処理システムを用いてすでに、排ガス後処理、特に窒素酸化物の還元は成果を上げ得るのであるが、排ガス後処理システムをさらに改善することが求められている。特に、このような排ガス後処理システムのコンパクトな構成型式に対する需要がある。

上記の点に鑑み、本発明は内燃機関の新式の排ガス後処理システムを創出することを課題とする。

上記の課題は、請求項１に記載の内燃機関の排ガス後処理システムによって解決される。本発明によれば排ガス供給管は、下流側の端部が、ＳＣＲ触媒を受容するリアクター室内に出口を有しており、排ガス供給管の当該端部とバッフル要素とが協働し、当該バッフル要素は、排ガス供給管の下流側の端部に対して位置変更可能である。リアクター室内に出口を有する排ガス供給管の下流側の端部に設けられているバッフル要素は、混合経路が短縮された状態で、排ガスと還元剤の良好な混合と、ＳＣＲ触媒への確定的な流入と、を保証し得る。コンパクトな構成型式において、効率的な排ガス後処理が保証され得る。

一の有利な発展的構成によれば、バッフル要素は排ガス供給管の下流側の端部に対して位置変更可能であり、それにより排ガス供給管を下流側の端部において遮断するか、または排ガス供給管を下流側の端部において開放し、排ガス供給管を開放すべきとき、排ガス供給管の下流側の端部に対するバッフル要素の相対位置は好適に、排ガス質量流量に、および／または排ガス温度に、および／または排ガス質量流に導入された還元剤の量に依存している。これにより排ガス後処理システムのコンパクトな構成型式において、特に有効な排ガス後処理が可能である。

一の有利な発展的構成によれば、排ガス供給管の下流側の端部はディフューザを形成しながら漏斗状に拡開する。バッフル要素は、排ガス供給管の下流側の端部に対向する面であって、排ガス流と還元剤とが当たる面において、流れガイド面を形成しながら湾曲した、特に鐘状に湾曲した輪郭を有している。当該細部によっても、短い混合経路において、バッフル要素および当該バッフル要素に対向する排ガス供給管の下流側の端部の領域内で流れが確定的にガイドされることにより、有効な排ガス後処理が行われる。

さらなる有利な発展的構成によれば、排ガス供給管と排ガス排出管との間にＳＣＲ触媒に対するバイパス管が介装されており、当該バイパス管内に遮断要素が設けられており、当該遮断要素の位置は、排ガス供給管の下流側の端部に対するバッフル要素の位置に依存している。バイパスを介して余剰の排ガスは、特に内燃機関の始動後、内燃機関のターボチャージャの領域内のまだ低温の構成グループを加熱すべきとき、ＳＣＲ触媒を素通りさせられ得る。

さらなる有利な発展的構成によれば、バッフル要素は、少なくとも排ガス供給管の下流側の端部に対向する面に、触媒コーティングを担持している。これにより排ガス後処理はさらに改善され得る。

本発明に係る内燃機関は、請求項１２に定義されている。

本発明の好適な発展的構成は、従属請求項と以下の詳細な説明に記載されている。本発明の実施の形態を図面に基づいてより詳しく説明するが、本発明は当該実施の形態に限定されるものではない。図面に示すのは以下の通りである。

本発明に係る排ガス後処理システムを備える内燃機関を概略的に斜視図として示す図である。 図１の排ガス後処理システムの細部を示す図である。 図２の細部を示す図である。 本発明に係る排ガス後処理システムのさらなる細部を示す図である。

本発明は内燃機関、例えば発電所における定置式内燃機関、または船舶で用いられる非定置式内燃機関の排ガス後処理システムに関する。当該排ガス後処理システムは、特に重油で作動する船舶用ディーゼル内燃機関において用いられる。以下において方法は、ＳＣＲ技術と関連させてより詳しく説明されるが、当該方法はＳＣＲ技術に限定されず、例えばガスエンジンにおいて用いられるようなＣＨ_４およびＨＣＨＯ酸化触媒においても用いられ得る。

図１は排ガスタービン過給システム２と、排ガス後処理システム３とを備える内燃機関１から成る構造体を示している。

内燃機関１は、非定置式または定置式内燃機関であってよく、特に非定置式に作動する船舶用内燃機関であってよい。内燃機関１のシリンダを出る排ガスは、排ガス過給システム２内で用いられ、それにより排ガスの熱エネルギーから、内燃機関１に供給すべき過給気を圧縮するための機械エネルギーを得る。

図１はこのように排ガスタービン過給システム２を備える内燃機関１を示しており、当該排ガスタービン過給システムは複数のターボチャージャ、すなわち第一の高圧側ターボチャージャ４と、第二の低圧側ターボチャージャ５とを含んでいる。

内燃機関１のシリンダを出る排ガスはまず、第一のターボチャージャ１の高圧タービン６を介して流れ、当該高圧タービン内で膨張し、このとき得られるエネルギーは、第一のターボチャージャ４の高圧コンプレッサ内で用いられ、それにより過給気を圧縮する。

排ガスの流れ方向で見て第一のターボチャージャ４の下流に、第二のターボチャージャ５が設けられており、当該第二のターボチャージャを介して、すでに第一のターボチャージャ４の高圧タービン６を貫流した排ガスがガイドされ、すなわち第二のターボチャージャ５の低圧タービン７を介してガイドされる。第二のターボチャージャ５の低圧タービン７において、排ガスはさらに膨張させられ、このとき得られるエネルギーは第二のターボチャージャ５の低圧コンプレッサ内で用いられ、それにより同様に、内燃機関１のシリンダに供給すべき過給気を圧縮する。

前記方法は、二段過給式エンジンに限定されておらず、一段過給式エンジンにおいても応用され得るが、その場合、排ガス後処理システムは好適にタービンの上流に取り付けられている。

二つのターボチャージャ４および５を有する排ガス過給システム２に加えて、内燃機関１は排ガス後処理システム３を含んでおり、当該排ガス後処理システムはＳＣＲ排ガス後処理システムである。当該ＳＣＲ排ガス後処理システム３は、第一のコンプレッサ５の高圧タービン６と、第二のターボチャージャ５の低圧タービン７と、の間に介装されており、それにより第一のターボチャージャ４の高圧タービン６を出る排ガスは、当該排ガスが第二のターボチャージャ５の低圧タービン７の領域内に到達する前に、まずＳＣＲ排ガス後処理システム３を介してガイドされ得る。図１は排ガス供給管８を示しており、当該排ガス供給管を介して排ガスは、第一のターボチャージャ４の高圧タービン６を起点として、リアクター室１０内に設けられているＳＣＲ触媒９に向かってガイドされ得る。図１はまた排ガス排出管１１を示しており、当該排ガス排出管は排ガスをＳＣＲ触媒９から、第二のターボチャージャ５の低圧タービン７に向かって排出させる働きをする。排ガスは低圧タービン７を起点として、管２６を介して特に屋外へ流れる。

リアクター室１０へと通じるとともに、リアクター室１０内に配置されたＳＣＲ触媒９へと通じる排ガス供給管８と、リアクター室１０から出るとともに、ＳＣＲ触媒９から出る排ガス排出管１１と、はバイパス管１２を介して連結されており、当該バイパス管内に遮断器官１３が組み込まれている。遮断器官１３が閉止されているとき、バイパス管１２は閉鎖されており、それによりバイパス管を介して排ガスは流れ得ない。これに対して遮断器官１３が開放されているとき、バイパス管１２を介して排ガスが流れ得、しかもリアクター室１０を素通りして、従ってリアクター室１０内に配置されたＳＣＲ触媒９を素通りして流れ得る。

図２は矢印１４によって、遮断器官１３を介してバイパス管１２が閉鎖されている際の、排ガス後処理システム３を通過する排ガスの流れを明らかにしており、図２から、排ガス供給管８が下流側の端部１５によってリアクター室１０内に出口を有することが分かり、排ガスは排ガス供給管８の当該端部１５の領域内でおよそ１８０°、もしくは近似的に１８０°での流れの方向転換を受けており、排ガスは流れの方向転換の後、ＳＣＲ触媒９を介してガイドされる。

排ガス後処理システム３の排ガス供給管８に、導入装置１６が配設されており、当該導入装置を介して排ガス流に還元剤、特にアンモニアまたはアンモニア前駆物質が導入され得、当該アンモニアまたはアンモニア前駆物質は、ＳＣＲ触媒９の領域内で排ガスの窒素酸化物を確定的に置換するために必要とされる。

排ガス後処理システム３の導入装置１６は好適に噴射ノズルであってよく、当該噴射ノズルを介して、アンモニアもしくはアンモニア前駆物質が排ガス供給管８内部の排ガス流内に噴射される。図２は円錐１７によって、排ガス供給管８の領域内の排ガス流内に還元剤を噴射することを明らかにしている。

排ガスの流れ方向で見て、導入装置１６の下流であってＳＣＲ触媒９の上流にある排ガス後処理システム３の経路は、混合経路と称される。特に導入装置１９の下流の排ガス供給管８は混合経路１８を提供しており、当該混合経路内で排ガスは、ＳＣＲ触媒９の上流において還元剤と混合され得る。

排ガス供給管８は下流側の端部１５によってリアクター室１０内に出口を有する。排ガス供給管８の当該下流側の端部１５に対して、バッフル要素１９が設けられており、当該バッフル要素は、排ガス供給管８の下流側の端部１５に対して位置変更可能である。

図に示す好適な実施の形態においてバッフル要素１９は、リアクター室１０内に出口を有する排ガス供給管８の端部１５に対して、両方向矢印２５の方向において、特に空気圧式制御シリンダ２０を用いて、直線的に位置変更可能であり、当該空気圧式制御シリンダは、ピストンロッド２１を介してバッフル要素１９に係合するとともに、リアクター室１０の壁２２を介して延在する。シール２３は、空気圧式シリンダ２０のピストンロッド２１を、当該ピストンロッドがリアクター室１０の壁２２を貫通するところでシールする。

バッフル要素１９は排ガス供給管８の下流側の端部１５に対して位置変更可能であり、それにより排ガス供給管８を下流側の端部１５において遮断するか、排ガス供給管を下流側の端部１５において開放する。バッフル要素１９が排ガス供給管８を下流側の端部１５において遮断するとき、好適にバイパス管１２の遮断器官１３は開放されており、それにより排ガスはその場合、完全にＳＣＲ触媒９を、もしくはＳＣＲ触媒９を受容するリアクター室１０を素通りする。バッフル要素１９が排ガス供給管８の下流側の端部１５を開放するとき、バイパス管１２の遮断器官１３は完全に閉鎖されているか、少なくとも部分的に開放されているかのいずれかであってよい。

バッフル要素１９が排ガス供給管８の下流側の端部１５を開放するとき、排ガス供給管８の下流側の端部１５に対するバッフル要素１９の相対位置は、特に、排ガス供給管８を通過する排ガス質量流量に、および／または排ガス供給管８内の排ガスの排ガス温度に、および／または導入装置１６を介して排ガス流に導入された還元剤の量に依存している。

下流側の端部１５が開放されているとき、排ガス供給管８の下流側の端部１５に対するバッフル要素１９の相対位置を介して特に、排ガス供給管８の下流側の端部１５の領域内で、バッフル要素１９の領域において方向転換される排ガスが、ＳＣＲ触媒９の径方向内側に配置されたセクションに向かってガイドもしくは偏向されることが比較的強いか、または、径方向外側に配置されたセクションに向かってガイドもしくは偏向されることが比較的強いかが設定され得る。

本発明の特に好適な実施によれば排ガス供給管８は、当該排ガス供給管の下流側の端部１５の領域において、ディフューザを形成しながら漏斗状に拡開されている。これにより排ガス供給管８の流れ断面は、下流側の端部１５の領域において拡大し、特に図２から分かるように、排ガスの流れ方向で見て、排ガス供給管８の下流側の端部１５の上流において、当該排ガス供給管の流れ断面がまず減少することが行われる。すなわち図２は、排ガスの流れ方向で見て排ガス供給管８の流れ断面が、還元剤のための導入装置１６の下流において、まず略一定であり、その後まず徐々に先細になり、最終的に下流側の端部１５の領域内で拡大することを示している。このとき排ガス供給管８の下流側の端部１５における流れ断面の当該拡大は好適に、排ガス供給管８が下流側の端部１５の前でまず先細になる部分よりも短い、排ガス供給管８の部分を介して行われる。

すでに述べたように、排ガス供給管８の下流側の端部１５とバッフル要素１９とは協働し、当該バッフル要素は、本発明の特に好適な構成において、少なくとも排ガス供給管８の下流側の端部１５に対向する面において、排ガスに対する流れガイドを形成しながら湾曲しており、好適に鐘状に湾曲している。すなわち特に図３および図４から分かるように、排ガス供給管８の下流側の端部１５に対向しているバッフル要素１９の面２４は、バッフル要素１９の径方向内側部分において、当該バッフル要素の径方向外側部分におけるよりも、排ガス供給管８の下流側の端部１５に対して小さい距離を有している。従ってバッフル要素１９は、面２４の中央で排ガス供給管８の下流側の端部１５に向かって、排ガスの流れ方向と逆に後退もしくは湾曲している。

バッフル要素１９が排ガス供給管８の下流側の端部１５を開放するとき、バッフル要素１９と、排ガス供給管８の下流側の端部１５との距離は特に少なくとも１００ｍｍであり、それにより、バッフル要素１９の領域内で排ガス流の方向転換ができるだけ少ない圧力損失で行われること、しかも１０ｍｂａｒよりも小さい圧力損失で行われることを保証する。

すでに述べたように、バッフル要素１９は複数の課題を引き受けており、それは排ガス供給管８の下流側の端部１５が遮断されているときには遮断作用であり、排ガス供給管８の下流側の端部１５が開放されているときには流れガイド作用であり、しかも排ガス流および／または排ガス温度および／または排ガス流に導入された還元剤の量に依存してそれらを行う。排ガス供給管８の下流側の端部１５が開放されているときの、バッフル要素１９のさらなる作用は、場合により排ガス流中に存在する液状還元剤の液滴が、供給管８の下流側の端部１５に対向するバッフル要素１９の面２４に到達し、当該液滴はその場所で捕捉されるとともに霧化されることであり、それにより液状還元剤のこのような液滴がＳＣＲ触媒９の領域内に到達することを回避する。さらに、例えば排ガス管が腐食する際に生じる錆粒子のような大きな粒子は、衝突の際に細かくされ、それにより当該粒子が排ガス後処理システムを閉塞させることはなくなる。

バッフル要素１９は、排ガス供給管８の下流側の端部１５に対向する面２４の領域内に、触媒コーティングを有し得、それにより排ガス後処理を改善する。

図４から最も良く分かるように、排ガス供給管８の下流側の端部１５の拡開と、バッフル要素１９の面２４の鐘状の輪郭形成は、好適に連続的もしくは持続的に行われており、すなわち断絶なく行われている。

図１の内燃機関１において排ガス後処理システム３は、直立状態で排ガス過給システム２の上方に配置されている。内燃機関１のシリンダへのアクセスは自由であるが、ターボチャージャ４および５へのアクセスは制限されている。しかしながらリアクター室１０は、ターボチャージャ４，６において必要な整備作業が行われる際、簡単に取り外され得る。

図１に示すように、垂直式に排ガス過給システム２の上方に排ガス後処理システム３を配置するものとは異なり、水平式に９０°傾けて排ガス過給システム２に隣接して排ガス後処理システム３を配置することも可能であるが、このような水平式の配置では、構造体の長さは増大する。しかしながらその場合、内燃機関１と排ガス過給システム２は整備作業の際、リアクター室１０を取り外す必要もなく、制限なしに利用可能となる。

１ 内燃機関
２ 排ガス過給システム
３ 排ガス後処理システム
４ ターボチャージャ
５ ターボチャージャ
６ 高圧タービン
７ 低圧タービン
８ 排ガス供給管
９ ＳＣＲ触媒
１０ リアクター室
１１ 排ガス排出管
１２ バイパス管
１３ 遮断器官
１４ 排ガスガイド
１５ 端部
１６ 導入装置
１７ 噴射円錐
１８ 混合経路
１９ バッフル要素
２０ 空気圧式シリンダ
２１ ピストンロッド
２２ 壁
２３ シール
２４ 面
２５ 位置変更方向
２６ 管

Claims (14)

1. 触媒（９）と、当該触媒（９）へと通じる排ガス供給管（８）と、当該触媒（９）から出る排ガス排出管（１１）と、を備える内燃機関の排ガス後処理システム（３）において、
   前記排ガス供給管（８）は、下流側の端部（１５）が、前記ＳＣＲ触媒（９）を受容するリアクター室（１０）内に出口を有しており、前記排ガス供給管（８）の前記端部（１５）とバッフル要素（１９）とが協働し、当該バッフル要素は前記排ガス供給管（８）の前記下流側の端部（１５）に対して、前記排ガス供給管（８）の長手軸線方向に沿って直線的に位置変更可能であることを特徴とする排ガス後処理システム。
2. 請求項１に記載の内燃機関の排ガス後処理システム（３）において、
   ＳＣＲ触媒（９）と、当該ＳＣＲ触媒（９）へと通じる排ガス供給管（８）と、当該ＳＣＲ触媒（９）から出る排ガス排出管（１１）と、前記排ガス供給管（８）に配設されるとともに、還元剤、特にアンモニアまたはアンモニア前駆物質を排ガスに導入するための導入装置（１６）と、前記排ガス供給管（８）により前記導入装置（１６）の下流において提供されるとともに、前記ＳＣＲ触媒（９）の上流で前記排ガスと前記還元剤を混合するための混合経路（１８）と、を備えるＳＣＲ排ガス後処理システムを特徴とする排ガス後処理システム。
3. 前記バッフル要素（１９）は前記排ガス供給管（８）の前記下流側の端部（１５）に対して位置変更可能であり、それにより前記排ガス供給管（８）を前記下流側の端部（１５）において遮断するか、または前記排ガス供給管（８）を前記下流側の端部（１５）において開放することを特徴とする請求項１または２に記載の排ガス後処理システム。
4. 排ガス供給管（８）を開放すべきとき、前記排ガス供給管（８）の前記下流側の端部（１５）に対する前記バッフル要素（１９）の相対位置は、排ガス質量流量に、および／または排ガス温度に、および／または前記排ガス質量流に導入された前記還元剤の量に依存していることを特徴とする請求項３に記載の排ガス後処理システム。
5. 前記バッフル要素（１９）は空気圧式制御シリンダ（２０，２１）を介して、前記排ガス供給管（８）の前記下流側の端部（１５）に対して位置変更可能であることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の排ガス後処理システム。
6. 前記排ガス供給管（８）の前記下流側の端部（１５）は、ディフューザを形成しながら漏斗状に拡開することを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の排ガス後処理システム。
7. 前記バッフル要素（１９）は、前記排ガス供給管（８）の前記下流側の端部（１５）に対向する面（２４）であって、前記排ガス流と前記還元剤とが当たる面において、流れガ
   イド面を形成しながら湾曲していることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の排ガス後処理システム。
8. 前記バッフル要素（１９）は、前記排ガス供給管（８）の前記下流側の端部（１５）に対向する前記面（２４）において湾曲しており、それにより前記バッフル要素（１９）の径方向内側部分において、当該バッフル要素（１９）の径方向外側部分におけるよりも、前記排ガス供給管（８）の前記下流側の端部（１５）への距離が小さいことを特徴とする請求項７に記載の排ガス後処理システム。
9. 前記バッフル要素（１９）は、前記排ガス供給管（８）の前記下流側の端部（１５）に対向する前記面（２４）において鐘状に湾曲していることを特徴とする請求項７または８に記載の排ガス後処理システム。
10. 前記排ガス供給管（８）と前記排ガス排出管（１１）との間に前記触媒（９）またはリアクター室（１０）に対するバイパス管（１２）が介装されており、当該バイパス管（１２）内に遮断要素（１３）が設けられており、当該遮断要素の位置は、前記排ガス供給管（８）の前記下流側の端部（１５）に対する前記バッフル要素（１９）の位置に依存していることを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載の排ガス後処理システム。
11. 前記バッフル要素（１９）は触媒コーティングを担持していることを特徴とする請求項１から１０のいずれか一項に記載の排ガス後処理システム。
12. 内燃機関（１）、特にディーゼル燃料で、重油燃料またはガスで作動する内燃機関であって、請求項１から１１のいずれか一項に記載の排ガス後処理システム（３）を備える内燃機関。
13. 前記内燃機関は、高圧タービン（６）を含む第一のターボチャージャ（４）と、低圧タービン（７）を含む第二のターボチャージャ（５）と、を備える多段式排ガス過給システム（２）を有しており、前記排ガス後処理システム（３）は前記高圧タービン（６）と前記低圧タービン（７）との間に介装されていることを特徴とする請求項１２に記載の内燃機関。
14. 前記内燃機関は一段式排ガス過給システム（２）を有しており、前記排ガス後処理システム（３）は前記タービンの上流に設けられていることを特徴とする請求項１２に記載の内燃機関。

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