JP6907053B2 - 内燃機関および内燃機関の運転方法 - Google Patents

Description

本発明は内燃機関、特に気体で作動される内燃機関であって、ガス燃焼システムと排ガス後処理システムとを有する内燃機関を運転するための方法に関する。本発明はまた、内燃機関、特に気体で作動される内燃機関であって、ガス燃焼システムと排ガス後処理システムとを有する内燃機関に関する。

気体燃料、例えば天然ガスを燃焼させる内燃機関が実践から知られている。このような内燃機関は、例えばピストン式内燃機関であってよく、あるいはガスタービンのような流体機関であってよい。したがって例えば造船業から、天然ガスを燃焼させ、そのためにガス燃焼システムとしてガスエンジンを含む内燃機関が知られている。このような内燃機関はさらに、排ガス後処理システムを含み、それによりガス燃焼システムを出た排ガスを浄化する。

これらの内燃機関が空気過剰の状態で運転されると、窒素酸化物全体におけるＮＯ_２の比率が著しく高まり得る。これらの内燃機関が二元燃料内燃機関として、すなわち同時に液体燃料と気体燃料とで作動されると、ＮＯ_２比率はさらに高まる。

すでに述べたとおり、気体燃料を燃焼させる場合、取り分け窒素酸化物が発生する。排ガス中の窒素酸化物を低減するために、実践から知られている排ガス後処理システムにおいて、第一にいわゆるＳＣＲ触媒が用いられる。ＳＣＲ触媒においては、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（ＮＨ_３）もしくは、例えば尿素のようなアンモニア前駆物質が、ＳＣＲ触媒の上流において液体の形で排ガスに導入され、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。

従来技術から知られているＳＣＲ触媒を用いて、排ガス中の窒素酸化物はすでに効果的に低減され得るが、気体燃料で作動される内燃機関のための排ガス後処理をさらに改善することが求められている。これは取り分け以下の理由によって必要である。すなわち、これらの内燃機関では窒素酸化物全体に対するＮＯ_２比率が５０％を上回り得、これによりＳＣＲ反応が著しく減速され、アンモニアもしくはアンモニア前駆物質の消費が増大することになる。この場合、標準ＳＣＲ反応（式１）に比べて、いわゆる遅いＳＣＲ反応（式２）と言われる。

２ＮＯ＋２ＮＨ_３＋０．５^＊Ｏ_２→２Ｎ_２＋３Ｈ_２Ｏ（式１）

６ＮＯ_２＋８ＮＨ_３→７Ｎ_２＋１２Ｈ_２Ｏ（式２）

上記の点に鑑み、本発明は、ガス燃焼システムと排ガス後処理システムとを有する内燃機関を運転するための新式の方法と、対応する内燃機関とを創出することを課題とする。

上記の課題は請求項１に記載の方法により解決される。本発明により排ガスは、排ガス中のＮＯ_２比率を低減するために、排ガス後処理システムの少なくとも一つのＮＯ_２分解触媒を介して導かれ、単独または個々のＮＯ_２分解触媒を介してガイドされた排ガスは、続いてＳＣＲ触媒を介して導かれる。

すでに述べたように本発明は、ＳＣＲ触媒において最適な窒素酸化物還元を行うために、ＳＣＲ触媒の上流の排ガス中の所定のＮＯ_２比率が有利であるという認識に基づいている。排ガス中の所定のＮＯ_２比率を調整するために、ＳＣＲ触媒の上流の排ガスは、ＮＯ_２分解触媒を介してガイドされ、それによりＮＯ_２分解触媒の下流で、したがってＳＣＲ触媒の上流において、排ガス後処理システム内の望ましい、所定のＮＯ_２比率を保証する。

単独または個々のＮＯ_２分解触媒は好適に、２ｂａｒ乃至２０ｂａｒの間の圧力で、および／または４００℃より大きい温度で作動される。ＮＯ_２分解触媒に対するこのような作動パラメータは、ＳＣＲ触媒の上流において所定の望ましいＮＯ_２比率を効果的に調整するために、ＮＯ_２分解触媒においてＮＯ_２の特に有効な分解を可能にする。これは、高温において熱力学的均衡がＮＯの側にあるため、触媒を用いて、還元剤を添加することなく均衡を迅速に調整し、それによりＮＯ２比率を低減することが可能であるという事情による。触媒を用いて、ＮＯ_２とＮＯとの比はＮＯの側に移動される。

２ＮＯ_２←→２ＮＯ＋２Ｏ_２（式３）

一の発展的構成によれば、ＮＯ_２分解触媒の上流において還元剤、特にＣＨ_４を添加することにより分解が改善され、排ガス中のＮＯ_２比率実際値が決定され、ＮＯ_２分解触媒内で用いられるＣＨ_４量は、ＮＯ_２比率実際値がＮＯ_２比率目標値に近似するか、一致するように調整される。そのために排ガス中のＮＯ_２比率実際値は測定または計算される。これにより、ＮＯ_２分解触媒の下流もしくはＳＣＲ触媒の上流において、排ガス中のＮＯ_２比率の特に有利な調整が可能である。ＮＯ_２分解触媒内で用いられるＣＨ_４還元剤の量は、このような方法で制御され得、それにより排ガス中のＮＯ_２比率実際値は、ＮＯ_２比率目標値に近似するか、一致する。

ＮＯ_２＋ＣＨ_４＋Ｏ_２→ＮＯ＋２Ｈ_２Ｏ＋ＣＯ（式４）

一の有利な発展的構成によれば、単独または個々のＮＯ_２分解触媒の下流、かつＳＣＲ触媒の上流において、排ガスはＣＨ_２Ｏ分解触媒を介して導かれる。当該発展的構成は、ＣＨ_４を還元剤として用いるＮＯ_２分解触媒において、副反応を介してホルムアルデヒドＣＨ_２Ｏが発生し得るという認識に基づいている。排ガスはＮＯ_２分解触媒の下流で、好ましくはＣＨ_２Ｏ分解触媒を介してガイドされ、それにより、形成されたホルムアルデヒドを分解し、すなわちＳＣＲ触媒に対する還元剤（アンモニアまたはアンモニア前駆物質）の添加箇所の上流か、またはＳＣＲ触媒の下流においてこれを行う。

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。

本発明に係る第一の内燃機関を概略的に表示する図である。 本発明に係る第二の内燃機関を概略的に表示する図である。 本発明に係る第三の内燃機関を概略的に表示する図である。 本発明に係る第四の内燃機関を概略的に表示する図である。

本発明はガス燃焼システムと排ガス後処理システムとを有する内燃機関と、このような内燃機関を運転するための方法と、に関する。

以下に本発明を、図１から図４を参照しながら、内燃機関１０を例に説明する。当該内燃機関はガス燃焼システムとしてシリンダ１２を備えるガスエンジン１１を含み、シリンダ１２には燃料１４として、特に天然ガスと、気体燃料１４に加えて当該気体状燃料を燃焼させるために燃焼空気１３と、が供給される。このとき発生する排ガス１５は、ガスエンジン１１から導出され、排ガス後処理システム１６を介してガイドされる。ここで、本発明は好ましくは、ガス燃焼システムとしてピストン式ガスエンジンもしくは火花点火式ガスエンジン１２を用いる内燃機関において用いられるが、ガス燃焼システム１１が、例えばガスタービンの流体機関によって提供される内燃機関においても用いられ得ることを指摘しておく。

排ガス後処理システム１６は、ＮＯ_２分解触媒１７を有し、ＮＯ_２分解触媒１７の下流にＳＣＲ触媒１８を有し、それによりガスエンジン１０のシリンダ１２を出た排ガス１５は、まず排ガス１５中のＮＯ_２比率を低減し、それにより排ガス１５中の所定のＮＯ_２比率を調整するために、まずＮＯ_２分解触媒１７を介して導かれ、それに続いて初めてＳＣＲ触媒１８を介してガイドされる。

ＮＯ_２分解触媒１７は好ましくは、ＮＯ_２を分解するための還元剤としてＣＨ_４が用いられるＮＯ_２分解触媒である。このとき還元剤としてＣＨ_４を用いて行われる、ＮＯ_２分解触媒１７における反応は、上記の式４に応じてなされる。

ＮＯ_２分解触媒１７は、ＮＯ_２の特に有効な分解を可能にするために、好ましくは２ｂａｒ乃至２０ｂａｒの間の絶対圧力と、４００℃より大きい温度と、で作動される。

上記の条件は、過給式内燃機関では通常、少なくとも一つのターボチャージャのタービンの上流において該当する。すなわちこの場合、ターボチャージャの少なくとも一つのタービンの上流にＮＯ_２分解触媒を取り付けることが推奨される。

好適にＣＨ_４酸化触媒として実施されているＮＯ_２分解触媒１７において、活性成分としてゼオライトまたはペロブスカイトおよび／または少なくとも一つの白金族金属の元素、特にパラジウム、および／または鉄、および／または銅、および／またはセリウム、および／またはカルシウム、および／またはチタニウム、および／またはアルミニウムが用いられる。

実施されるＮＯ_２分解触媒において、活性成分として、白金族金属の少なくとも一つの元素が用いられるとき、当該ＮＯ_２分解触媒は白金族金属元素を最大１７６５ｇ／ｍ^３（５０ｇ／ｆｔ^３）、好ましくは最大８８２．５ｇ／ｍ^３（２５ｇ／ｆｔ^３）、特に好ましくは３５３ｇ／ｍ^３（１０ｇ／ｆｔ^３）を担持する。

図１は、ＮＯ_２分解触媒１７と、当該ＮＯ_２分解触媒の下流に設けられたＳＣＲ触媒１８に加えて、導入装置１９と、を示し、当該導入装置を用いてアンモニアまたはアンモニア前駆物質、例えば尿素（ウレア）が、ＮＯ_２分解触媒１７の下流で排ガスに導入され、ＳＣＲ触媒１８においてアンモニアは還元剤として用いられる。

図２は、図１の内燃機関１０の発展的構成を示し、図２において内燃機関は、排ガス後処理システム１６に加えて、ターボチャージャ２２を備える過給システムを有している。このとき図２によれば、ガスエンジン１１のシリンダ１２を出た排ガス１５はまず、ターボチャージャ２２のタービン２０を介してガイドされ、それに続いて初めて排ガス後処理システム１６を介してガイドされる。一の有利な変化形態（ここでは図示略）は、ＮＯ_２分解触媒１７をタービン２０の上流に設けるものであり、それによりそこで顕著にみられる高い温度と圧力を十分に利用する。タービン２０内の排ガス１５が膨張する際に得られるエネルギーは、ターボチャージャ２２のコンプレッサ２１において利用され、それによりガスエンジン１１のシリンダ１２に供給すべき過給気を圧縮する。図２の内燃機関１０は、一段過給を用いている。これとは異なり、内燃機関１０が、低圧ターボチャージャと高圧ターボチャージャとから成る二段過給を用いることも可能である。その場合、排ガス後処理システム１６は好ましくは、高圧ターボチャージャのタービンと低圧ターボチャージャのタービンとの間に設けられている。

ＮＯ_２分解触媒１７においてＮＯ_２が分解されるとき、副反応としてＣＨ_４がホルムアルデヒドＣＨ_２Ｏに分解される。これは以下の反応式にしたがって行われる。

ＣＨ_４＋Ｏ_２→ＣＨ_２Ｏ＋Ｈ_２Ｏ

しかしながら、ＮＯ_２分解触媒１７が白金族金属元素を上記のように担持する場合、ホルムアルデヒドの形成は低減され得る。

図３の実施の形態では、ＮＯ_２分解触媒１７の下流かつＳＣＲ触媒１８の上流に、ＣＨ_２Ｏ分解触媒２３が配置されることが行われ、それによりＮＯ_２分解触媒１７内で形成されるホルムアルデヒドを確定的に分解する。このようなＣＨ_２Ｏ分解触媒２３は、ＮＯ_２分解触媒１７および／またはＳＣＲ触媒１８とともに、反応室内に組み込まれていてもよい。このようなＣＨ_２Ｏ分解触媒２３は、当然ながら図２の内燃機関１０においても利用され得る。

本発明の一の有利な発展的構成によれば、図４のように、排ガス中のＮＯ_２比率実際値を決定し、それに応じてＣＨ_４酸化触媒として実施されたＮＯ_２分解触媒１７の作動を制御し、それにより排ガス中のＮＯ_２比率実際値は、所定のＮＯ_２比率目標値に近似するか、または一致し、そのためにＮＯ_２比率実際値に応じて、ＣＨ_４酸化触媒において用いられるＣＨ_４量が調整される。

このとき図４によれば、ＮＯ_２分解触媒１７の下流の排ガス中のＮＯ_２比率実際値を、センサ２４を用いて測定し、それに応じてＮＯ_２分解触媒１７において用いられるＣＨ_４量を調整することが行われる。このとき排ガス中のＮＯ_２比率目標値が、２５％乃至５５％の間、好ましくは３０％乃至５０％の間、特におよそ５０％、例えば５０％±２％であることが行われる。

ＣＨ_４量は、内燃機関の運転パラメータを変化させることにより、変えられ得る。運転パラメータとは取り分け、点火時期、空燃比、弁開閉時期（吸入弁および／または排気弁→弁オーバーラップ、ミラーサイクル）、噴射時期、吸気圧力；給気温度、圧縮比、気体燃料と液体燃料との比である。

排ガス中のＮＯ_２比率実際値を、ＮＯ_２分解触媒１７の下流に配置されたセンサ２４を用いて測定技術により検知するのと異なり、排ガス中のＮＯ_２比率実際値は、計算によっても、例えばモデルを介して決定され得る。

ＮＯ_２比率実際値はまた、ＳＣＲ触媒１８におけるＳＣＲ回転率を特定することによって、特にＳＣＲ触媒１８の下流のＮＯ_ｘ量を、ＳＣＲ触媒１８の下流に設けられたＮＯ_ｘセンサを用いて検知することにより決定され得る。ＳＣＲ触媒１８の下流において許容されるＮＯ_ｘ量は、排ガス規制を介して定められ、超過してはならないため、ＳＣＲ触媒１８の下流にあるＮＯ_ｘ量は、基準量として考慮され得る。

排ガス中のＮＯ_２比率目標値は好適に、ガスエンジン１１および／または排ガス後処理システム１６の運転パラメータに応じて、例えば実際にみられる排ガス温度、および／または点火時期および／または弁開閉時期および／または、場合により用いられる排ガス再循環に応じて決定される。

ＮＯ_２分解触媒１７の下流の排ガスが、ＳＣＲ触媒１８を介するだけでなく、付加的に粒子フィルターおよび／またはＮＯ_ｘ吸蔵触媒を介してガイドされることが行われてよい。これは特に、気体燃料だけでなく、ディーゼル、原油、残油などの液体燃料も燃焼される場合（二元燃料エンジン）に当てはまる。

粒子フィルター内には、炭素を含有する煤が留まる。炭素を含有する煤は、二酸化窒素を用いて一酸化炭素、二酸化炭素、窒素、および一酸化窒素に変換され得る。当該変換は以下の反応式にしたがって行われる。

２ＮＯ_２＋Ｃ→２ＮＯ＋ＣＯ_２
２ＮＯ_２＋Ｃ→２ＮＯ＋ＣＯ
２Ｃ＋２ＮＯ_２→Ｎ_２＋２ＣＯ_２

したがって本発明により、ＮＯ_２分解触媒を介して、ＳＣＲ触媒１８の上流の排ガス１５中のＮＯ_２比率を、目標を定めて低減し、すなわち目標を定めて調整し、それによりＳＣＲ触媒１８における最適なＳＣＲ反応を保証することが提案される。

ＳＣＲ触媒１８に後置されていてよい粒子フィルターおよび／またはＮＯ_ｘ吸蔵触媒についても、排ガス中のＮＯ_２比率を確定することは有利である。

１０ 内燃機関
１１ ガス燃焼システム
１２ シリンダ
１３ 燃焼空気
１４ 燃料
１５ 排ガス
１６ 排ガス後処理システム
１７ ＣＨ_４酸化触媒
１８ ＳＣＲ触媒
１９ 導入装置
２０ タービン
２１ コンプレッサ
２２ ターボチャージャ
２３ ＣＨ_２Ｏ分解触媒
２４ センサ

Claims (13)

1. ガス燃焼システム（１１）と排ガス後処理システム（１６）とを有する内燃機関（１０）を運転するための方法であって、前記ガス燃焼システム（１０）を出た排ガス（１５）は、浄化のために前記排ガス後処理システム（１６）を介して導かれる方法において、
   前記排ガス（１５）は、前記排ガス（１５）中のＮＯ_２比率を低減するために、前記排ガス後処理システム（１６）の少なくとも一つのＮＯ_２分解触媒（１７）を介して導かれ、単独または個々のＮＯ_２分解触媒（１７）を介してガイドされた前記排ガスは、続いてＳＣＲ触媒（１８）を介して導かれ、
   前記排ガスは、単独または個々のＮＯ _２ 分解触媒（１８）の下流、かつ前記ＳＣＲ触媒（１８）の還元剤のための添加（１９）の上流および／または前記ＳＣＲ触媒の下流で、ＣＨ _２ Ｏ分解触媒（２３）を介して導かれることを特徴とする方法。
2. 前記排ガス（１５）中の前記ＮＯ_２比率は、単独または個々のＮＯ_２分解触媒（１７）を介して、前記ＳＣＲ触媒（１８）の上流において、前記排ガス（１５）中の窒素酸化物全体におけるＮＯ_２比率が、２５％乃至５５％の間であるように調整されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記ＮＯ_２分解触媒（１７）に、還元剤としてＣＨ_４が供給されることを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
4. 前記排ガス中のＮＯ_２比率実際値が測定または計算され、前記ＮＯ_２分解触媒内で用いられるＣＨ_４量は、前記ＮＯ_２比率実際値がＮＯ_２比率目標値に近似するか、一致するように調整されることを特徴とする請求項３に記載の方法。
5. 前記排ガス（１５）は、前記ＮＯ_２分解触媒（１８）の下流で、前記ＳＣＲ触媒（１８）を介するとともに、付加的に粒子フィルターおよび／またはＮＯ_ｘ吸蔵触媒を介して導かれ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方法。
6. 単独または個々のＮＯ_２分解触媒（１７）は、２ｂａｒと２０ｂａｒの間の圧力で作動され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方法。
7. 単独または個々のＮＯ_２分解触媒（１７）は、４００℃より高い温度で作動され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方法。
8. 前記個々のＮＯ_２分解触媒（１７）において、ＮＯ_２分解のための活性成分として、以下の成分、すなわちゼオライト、ペロブスカイト、鉄、銅、セリウム、カルシウム、チタニウム、アルミニウムの少なくとも一つ、および／または少なくとも一つの白金族金属の元素が用いられることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の方法。
9. 前記ＮＯ_２分解触媒（１７）は、ターボチャージャの少なくとも一つのタービン（２０）の上流に設けられていることを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載の方法。
10. 前記ＮＯ_２比率を低減するためのＣＨ_４は、前記内燃機関の運転パラメータを変化させることにより生じさせられ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方法。
11. ガス燃焼システム（１１）と排ガス後処理システム（１６）とを有する内燃機関（１０）において、
    前記排ガス後処理システム（１６）は、少なくとも一つのＮＯ_２分解触媒（１７）を有し、単独または個々のＮＯ_２分解触媒（１７）の下流にＳＣＲ触媒（１８）を有し、
    前記排ガス後処理システム（１６）は、単独または個々のＮＯ _２ 分解触媒（１７）の下流、かつ前記ＳＣＲ触媒（１８）の還元剤のための添加（１９）の上流および／または前記ＳＣＲ触媒の下流に、ＣＨ _２ Ｏ分解触媒（２３）を有することを特徴とする内燃機関。
12. 前記排ガス後処理システム（１６）は、単独または個々のＮＯ_２分解触媒（１７）の下流に、さらに粒子フィルターおよび／またはＮＯ_ｘ吸蔵触媒を有することを特徴とする請求項１１に記載の内燃機関。
13. 前記ＮＯ_２分解触媒（１７）は、ターボチャージャのタービン（２０）の上流に設けられていることを特徴とする請求項１１または１２に記載の内燃機関。

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