JP7030660B2 - 燃焼機関システム - Google Patents

Description

本発明は、燃焼機関システムと、本発明による燃焼機関システム内のＮＯ_Ｘ還元ユニットのチャンバ内の煤煙を低減させるための煤煙低減方法とに関する。

内燃機関からの排気ガスは、ＮＯ_Ｘ排出を削減するために触媒反応器内で浄化される。浄化プロセス中に、煤煙は、反応器ハウジング内で、およびＳＣＲ反応器内の触媒素子の表面上に堆積していく。これらの表面から煤煙を清浄するために、高圧空気が、この煤煙を緩めるように所定の間隔をおいて噴射され、このガスが、反応器ハウジング外へと緩んだ煤煙を搬送する。しかし、高圧空気は、煤煙を緩めることにおいて非常に効率的ではなく、多数の機材、すなわち高圧パイプおよびノズルを必要とし、これらは、多額のコストがかかり、修理または交換が困難な場合がある。特許文献１は、内燃機関からの排気ガスを浄化するために適用される、ガス流中の微粒子を除去するための構成体を開示している。

ＷＯ２００６／０９１１３６

したがって、本発明の目的は、先行技術の上記の不利な点および欠点を完全にまたは部分的に解消することである。より詳細には、本発明の目的は、煤煙除去においてより効率的であるおよび／またはより少数の機材を必要とする、改良された燃焼機関システムを提供することである。

上記の目的は、以下の説明から明らかになる多数の他の目的、利点、および特徴と共に、燃焼機関システムによる本発明に記載の解決策によって達成される。この燃焼機関システムは、
煤煙を含む排気ガスを発生させる内燃機関と、
排気ガスにより駆動されるターボチャージャと、
ターボチャージャの上流に配置され、内燃機関からの排気ガスを浄化するために内燃機関に流体連結されたＮＯ_Ｘ還元ユニットであって、煤煙が内部で堆積するＮＯ_Ｘ還元ユニットは、
チャンバ、入口パイプ、および出口パイプを有する触媒反応器ハウジング、ならびに
入口パイプと出口パイプとの間の触媒反応器ハウジングのチャンバ内に配置された１つまたは複数の触媒要素
を備える、ＮＯ_Ｘ還元ユニットと
を備える。燃焼機関システムは、
煤煙除去ユニットであって、
触媒反応器ハウジングの開口と流体連通状態にある弁であって、触媒反応器ハウジング内の排気ガスの少なくとも一部が煤煙除去ユニット内に逃げることを可能にする開位置を有する弁と、
断面受器面積ならびに受器入口および通気ポートを有する受器と、
弁に受器入口を流体連結する、および断面受器面積よりも小さい断面導管面積を有する導管と
を備える、煤煙除去ユニット
をさらに備える。

弁に受器入口を流体連結し、断面受器面積よりも小さい断面導管面積を有する導管を有することにより、音波が、触媒反応器ハウジング内で生成されて煤煙の少なくとも一部を緩める。

開口は、１つまたは複数の触媒要素の上流にてチャンバ中に配置され得る。

さらに、開口は、チャンバの中間部分よりも入口パイプのより近くにてチャンバ中に配置され得る。チャンバの中間部分よりも入口パイプのより近くに開口が位置することにより、逆流が、チャンバ内に生成されて煤煙を緩める。

また、開口は、チャンバの中間部分よりも出口パイプのより近くにてチャンバ中に配置され得る。

さらに、開口は、入口パイプ中に配置され得る。

さらに、開口は、触媒要素同士の間にてチャンバの中間部分内に配置され得る。

さらに、通気ポートは、ターボチャージャの下流で流体連結された通気パイプに流体連結され得る。

煤煙除去ユニットは、複数の開口を有してもよく、各開口は、導管に流体連結された弁を有する。

さらに、全ての導管が、受器にこれらの開口を流体連結させ得る。

さらに、煤煙除去ユニットは、複数の受器を有してもよく、各受器は、導管の中の１つに連結される。

また、断面導管面積は、断面受器面積の５０％未満、好ましくは３０％未満であり得る。

さらに、導管は、断面導管面積の直径よりも大きい導管長さを有し得る。

さらに、導管は、断面導管面積の直径よりも１０％大きい、好ましくは断面導管面積の直径よりも２５％大きい、より好ましくは断面導管面積の直径よりも５０％大きい導管長さを有し得る。

さらに、チャンバは、チャンバ容積を有し、受器は、チャンバ容積の２０％未満である、好ましくはチャンバ容積の１０％未満である受器容積を有し得る。

また、遮音ユニットが、煤煙除去ユニットおよび／またはＮＯ_Ｘ還元ユニットを少なくとも部分的に包囲することになってもよい。

煤煙除去ユニットは、弁の開口を制御するための弁制御部を有し得る。

さらに、ＮＯ_Ｘ還元ユニットは、ターボチャージャの高圧側に配置され得る。

さらに、弁制御部は、タイマーを備えてもよい。

さらに、煤煙除去ユニットは、煤煙センサを有してもよい。

前記煤煙センサは、圧力センサであってもよい。

本発明による燃焼機関システムは、ＮＯ_Ｘ還元ユニットの上流に配置された第２のターボチャージャをさらに備え得る。

さらに、燃焼機関システムの内燃機関は、２ストロークまたは４ストロークの内燃機関であってもよい。

燃焼機関システムは、排気ガス受器をさらに備え得る。

さらに、燃焼機関システムは、掃気ガス受器をさらに備え得る。

さらに、燃焼機関システムは、例えばボイラーなどの熱交換器をさらに備え得る。

逆止弁が、通気パイプ内に配置され得る。

内燃機関は、少なくとも０．０５％の硫黄含有量を有する燃料により作動され得る。

前記内燃機関は、大型２ストローク内燃機関であってもよい。

さらに、燃焼機関システムは、少なくとも２００リットルの容積を有する１つまたは複数の触媒反応器ハウジングを備え得る。

ＮＯ_Ｘ還元ユニットは、ＮＯ_Ｘ還元ユニットへの進入中または進入前に排気ガスにある量の還元剤を投与するための投与ユニットを備える還元剤供給ユニットをさらに備え得る。

さらに、ＮＯ_Ｘ還元ユニットは、ＮＯ_Ｘ還元ユニットに供給される量の還元剤を低減させるように適応された制御ユニットをさらに備え得る。

さらに、還元剤は、アンモニアを含んでもよい。

また、本発明は、本発明による燃焼機関システム内のＮＯ_Ｘ還元ユニットのチャンバ内の煤煙を低減させるための煤煙低減方法に関する。この方法は、
導管内におよびさらにチャンバ内に伝播される音波を生成する受器内に排気ガスの一部が逃げることを可能にして、チャンバ内の煤煙の一部を緩めるために、弁を開くステップと、
弁を閉じるステップと、
受器を通気させるステップと
を含む。

本発明およびその多数の利点が、添付の概略図を参照して以下でより詳細に説明される。これらの図面は、例示を目的としていくつかの非限定的な実施形態を示す。

ターボチャージャの高圧側にＮＯ_Ｘ還元ユニットを有する燃焼機関システムの図である。 ＮＯ_Ｘ還元ユニットおよび煤煙除去ユニットを示す図である。 煤煙除去ユニットの斜視図である。 ２つの開口を有する別のＮＯ_Ｘ還元ユニットと、これらの開口に連結された２つの導管を有する別の煤煙除去ユニットとを示す図である。 触媒要素の上流の開口と触媒要素の下流の開口とを有する別のＮＯ_Ｘ還元ユニットを示す図である。各開口は、煤煙除去ユニットに連結される。 ターボチャージャの高圧側にＮＯ_Ｘ還元ユニットを有する別の燃焼機関システムの図である。

いずれの図面も、非常に概略的なものであり、必ずしも縮尺通りではなく、本発明を明らかにするために必要であるパーツのみを示し、他のパーツは、省略されるかまたは単に示唆される。

図１は、排気ガスを発生する内燃機関２を備える燃焼機関システム１を示す。燃焼機関システム１は、ターボチャージャ３の高圧側の排気ガスにより駆動されるターボチャージャ３を備える。燃焼機関システム１は、ターボチャージャの上流にすなわちターボチャージャ３の高圧側に配置されたＮＯ_Ｘ還元ユニット４をさらに備え、このＮＯ_Ｘ還元ユニットは、選択的触媒還元（ＳＣＲ）により内燃機関２からの排気ガスを浄化するために内燃機関２と流体連通される。ＮＯ_Ｘ還元ユニット４は、チャンバ６を有する触媒反応器ハウジング５と、入口パイプ７と、出口パイプ８と、入口パイプ７と出口パイプ８との間で触媒反応器ハウジング５のチャンバ６内に配置された１つまたは複数の触媒要素９とを備える。ＮＯ_Ｘ還元ユニット４内では、煤煙が、排気ガスの浄化中に触媒要素９上におよび触媒反応器ハウジング５内部の全ての表面上に堆積する。したがって、燃焼機関システム１は、特定の間隔をおいて煤煙を除去するための煤煙除去ユニット１０をさらに備える。煤煙除去ユニット１０は、触媒反応器ハウジング５の開口１２内の弁１１に流体連結され、弁１１は、開口１２が閉塞される閉位置と、触媒反応器ハウジング５内の排気ガスの少なくとも一部が煤煙除去ユニット１０内に逃げ得る開位置とを有する。

図３に示すように、煤煙除去ユニット１０は、断面受器面積Ａ_Ｒならびに受器入口１５および通気ポート１６を有する受器１４を備え、弁１１に受器入口１５を流体連通させる導管１７をさらに備える。導管１７は、初めに受器１４内に音波を送り、およびしたがってこの音波が移動することによりさらに触媒反応器ハウジング５内にも音波を送り、それにより触媒反応器ハウジング５内のおよび触媒要素９上の煤煙の少なくとも一部を緩めるために、断面受器面積Ａ_Ｒよりも小さな断面導管面積Ａ_Ｃを有する。煤煙除去ユニット１０内に逃げる排気ガスは、定常波を生成し、この定常波がＮＯ_Ｘ還元ユニット４内に移動してその中の煤煙を緩める。弁１１が開くと、非常に高い圧力を有する排気ガスは、導管１７内におよびさらに実質的により低い圧力を有する受器１４内へと逃げ、断面導管面積Ａ_Ｃが断面受器面積Ａ_Ｒよりも小さいことにより、音波が、ヘルムホルツ共鳴器と同様に生成される。この音波により、局所的ガス流に急速な過渡変動が引き起こされて、触媒要素９の全ての壁部上に堆積した煤煙層に対してせん断応力の急激な変化がもたらされ、それによりこれらの壁部から煤煙が緩められる。

受器は、図２に示すように通気ポート１６を有し、受器１４内の高圧排気ガスは、この通気ポート１６を通り放出され、それにより受器１４内の圧力が降下され、受器１４は弁１１が再び開いた時に排気ガスの新たな一部を受けることが可能な状態となる。受器１４内の圧力は、通気パイプ１８を経由してターボチャージャ３の下流のガス流中に放出される。開口１２は、１つまたは複数の触媒要素９の上流にてチャンバ６中に配置され、弁１１が開いて音波を発生させると、逆流が、触媒反応器ハウジング５内において同時に発生する。この逆流は、煤煙除去をさらに増進させる。

図２では、開口１２は、チャンバ６の中間部分３６よりも入口パイプ７のより近くにてチャンバ６内に配置される。チャンバ６の中間部分３６よりも入口パイプ７のより近くに開口１２が位置することにより、または入口パイプ７中に開口１２を有することにより、チャンバ６内に逆流が生成されて、煤煙を緩める。図４では、煤煙除去ユニット１０は、複数の開口１２を有し、各開口１２が、導管１７に流体連通された弁１１を有し、導管１７は、受器１４に流体連通される。開口１２は、触媒要素９同士の間にてチャンバ６の中間部分３６に配置されて、開口１２の下流のチャンバ６内に逆流を少なくとも部分的に発生させて煤煙を緩める。また、煤煙は、煤煙除去ユニット１０内で生成された音波によっても緩められる。

図５では、煤煙除去ユニット１０は、複数の受器１４を有することができ、各受器１４は、導管１７の中の１つに連結され、開口１２の中の１つが、チャンバ６の中間部分３６よりも出口パイプ８のより近くにてチャンバ６中に配置され、別の開口１２が、入口パイプ７中に配置される。

図３では、導管１７の断面導管面積Ａ_Ｃは、断面受器面積Ａ_Ｒの５０％未満であり、好ましくは３０％未満である。導管１７の断面導管面積Ａ_Ｃが、受器１４の断面受器面積Ａ_Ｒの５０％未満である場合には、断面積の差異がより小さな場合に比べてより大きな音波が生成される。チャンバ６は、チャンバ容積Ｖ_Ｃを有し、受器１４は、受器容積Ｖ_Ｒを有し、受器容積Ｖ_Ｒは、チャンバ容積Ｖ_Ｃに応じて、および排気ガスの浄化中にどれだけの量の煤煙が経時的に堆積するかに応じて、チャンバ容積Ｖ_Ｃの２０％未満であり、好ましくはチャンバ容積Ｖ_Ｃの１０％未満である。図示するように、導管１７は、断面導管面積Ａ_Ｃの直径よりも大きな導管長さＬを有し、導管１７は、ヘルムホルツ共鳴器設計の煤煙除去ユニット１０の「ネック」である。より長い導管／ネックは、弁１１を開いた場合に発生する音波の周波数をより低くする結果をもたらす。一実施形態では、導管１７は、断面導管面積Ａ_Ｃの直径よりも１０％大きな導管長さＬを有する。別の実施形態では、導管１７は、断面導管面積Ａ_Ｃの直径よりも２５％大きな導管長さＬを有し、さらに別の実施形態では、導管１７は、断面導管面積Ａ_Ｃの直径よりも５０％大きな導管長さＬを有する。高圧排気ガスがヘルムホルツ共鳴器として設計された煤煙除去ユニット１０内に逃げることにより発生する音波は、非常に大きな音を結果としてもたらし、この音波の周波数は、断面導管面積Ａ_Ｃによって決定され、より大きな断面導管面積Ａ_Ｃは、結果としてより高い周波数の音波をもたらす。また、周波数は、チャンバ容積Ｖ_Ｃによっても決定され、より大きなチャンバ容積Ｖ_Ｃは、周波数を低下させる。

高圧排気ガスが煤煙除去ユニット１０内に逃げることにより発生する音波は、非常に大きな音を結果としてもたらし、したがって燃焼機関システム１は、図４に示すような煤煙除去ユニット１０および／またはＮＯ_Ｘ還元ユニット４を少なくとも部分的に包囲する遮音ユニット１９を備える。

図６では、煤煙除去ユニット１０は、弁１１の開口を制御するための弁制御部３７を有し得る。弁制御部３７は、所定の時間間隔をおいて弁１１を作動させるためのタイマー（図示せず）を備え得る。煤煙除去ユニット１０は、煤煙が触媒反応器ハウジング５内で堆積される場合に測定を行うための煤煙センサ３８を有し得る。煤煙センサ３８は、ＮＯ_Ｘ還元ユニット４内の背圧を測定するための圧力センサであってもよく、または触媒反応器ハウジング５内の煤煙層の厚さをさらに測定するための音響センサであってもよい。したがって、煤煙センサ３８は、弁制御部３７と通信していてもよい。燃焼機関システム１は、ＮＯ_Ｘ還元ユニット４の上流および他のターボチャージャ３の上流に配置された第２のターボチャージャ２１をさらに備える。ＮＯ_Ｘ還元ユニット４は、ターボチャージャ同士の間において、したがって第２のターボチャージャ２１の高圧側において流体連結される。

燃焼機関システム１の内燃機関２は、２ストロークまたは４ストロークの内燃機関２であってもよい。図１に示すように、燃焼機関システム１は、排気ガス受器３１、掃気ガス受器３２、および例えばボイラーなどの熱交換器（図示せず）をさらに備え得る。ターボチャージャ３は、排気ガスにより駆動されるタービン３３を備え、タービン３３は、圧縮機３４を駆動する。

図５では、煤煙除去ユニット１０は、２つの受器１４を有し、一方の受器１４は、導管１７を介して入口パイプ７中の開口１２に流体連結され、他方の受器１４は、触媒要素９よりも出口パイプ８のより近くにて触媒反応器ハウジング５の底部に流体連通される。逆止弁３５が、排気ガスが受器１４から離れるように流れることを可能にする一方で排気ガスが再び逆流するのを防止するために、通気パイプ１８中に配置される。

内燃機関２は、大型２ストローク内燃機関であってもよく、少なくとも０．０５％の硫黄含有量の燃料によって作動される。触媒反応器ハウジング５は、少なくとも２００リットルの容積を有する。２ストローク内燃機関２は、大型船舶用の推進システムとしてまたは発電所の定置機関として使用される、大型の２ストロークユニフローターボチャージャ付き圧縮点火クロスヘッド内燃機関２であってもよい。高さ、幅、重量、および出力が大きいことにより、この大型の２ストロークユニフローターボチャージャ付き圧縮点火クロスヘッド内燃機関２は、一般的な燃焼機関とは大幅に異なり、他よりもはるかに優れている。単一の機関２の総出力は、１００．０００ＢＨＰを超過し得る。

ＮＯ_Ｘ還元ユニット４は、ＮＯ_Ｘ還元ユニット４への進入中または進入前に排気ガス中にある量の還元剤を投与するための投与ユニット（図示せず）を備える還元剤供給ユニット（図示せず）をさらに備え、還元剤は、アンモニアを含む。

本発明は、弁１１を開くことにより排気ガスの一部が導管１７内におよびさらに受器１４内に逃げることを可能にし、それにより音波を発生させ、この音波がチャンバ６内に伝播することによりチャンバ６内の煤煙の一部を緩めることによって、燃焼機関システム１内のＮＯ_Ｘ還元ユニット４のチャンバ６内の煤煙を削減する煤煙削減方法を提供する。次いで、弁１１は閉じられる。受器１４は、同時に通気される。

本発明の好ましい実施形態に関連して上記において本発明を説明したが、以下の特許請求の範囲により定義される本発明から逸脱することなく、複数の修正が考えられ得ることが、当業者には明らかであろう。

１ 燃焼機関システム
２ 内燃機関
３ ターボチャージャ
４ ＮＯ_Ｘ還元ユニット
５ 触媒反応器ハウジング
６ チャンバ
７ 入口パイプ
８ 出口パイプ
９ 触媒要素
１０ 煤煙除去ユニット
１１ 弁
１２ 開口
１４ 受器
１５ 受器入口
１６ 通気ポート
１７ 導管
１８ 通気パイプ
１９ 遮音ユニット
２１ 第２のターボチャージャ
３１ 排気ガス受器
３２ 掃気ガス受器
３３ タービン
３４ 圧縮機
３５ 逆止弁
３６ 中間部分
３７ 弁制御部
３８ 煤煙センサ

Claims (10)

1. 燃焼機関システム（１）であって、
   煤煙を含む排気ガスを発生させる内燃機関（２）と、
   前記排気ガスにより駆動されるターボチャージャ（３）と、
   前記ターボチャージャの上流に配置され、前記内燃機関（２）からの前記排気ガスを浄化するために前記内燃機関（２）に流体連結されたＮＯ_Ｘ還元ユニット（４）であって、前記煤煙が内部で堆積する前記ＮＯ_Ｘ還元ユニット（４）は、
   チャンバ（６）、入口パイプ（７）、および出口パイプ（８）を有する触媒反応器ハウジング（５）、ならびに
   前記入口パイプ（７）と前記出口パイプ（８）との間の前記触媒反応器ハウジング（５）の前記チャンバ（６）内に配置された１つまたは複数の触媒要素（９）
   を備える、ＮＯ_Ｘ還元ユニット（４）と、
   を備える、燃焼機関システム（１）であって、
   前記燃焼機関システム（１）は、
   煤煙除去ユニット（１０）であって、
   断面受器面積（Ａ_Ｒ）ならびに受器入口（１５）および通気ポート（１６）を有する受器（１４）と、
   弁（１１）に前記受器入口（１５）を流体連結する、および前記断面受器面積（Ａ_Ｒ）よりも小さい断面導管面積（Ａ_Ｃ）を有する導管（１７）と
   を備える、煤煙除去ユニット（１０）
   をさらに備える、燃焼機関システム（１）において、
   前記煤煙除去ユニットは、前記触媒反応器ハウジング（５）の開口（１２）と流体連通状態にある前記弁（１１）をさらに備え、前記弁（１１）は、前記触媒反応器ハウジング（５）内の前記排気ガスの少なくとも一部が前記煤煙除去ユニット（１０）内に逃げることを可能にする開位置を有することを特徴とする、燃焼機関システム（１）。
2. 前記開口（１２）は、前記１つまたは複数の触媒要素（９）の上流にて前記チャンバ（６）に配置される、請求項１に記載の燃焼機関システム（１）。
3. 前記通気ポート（１６）は、前記ターボチャージャ（３）の下流に流体連結された通気パイプ（１８）に流体連結される、請求項１または２に記載の燃焼機関システム（１）。
4. 前記断面導管面積（Ａ_Ｃ）は、前記断面受器面積（Ａ_Ｒ）の５０％未満、好ましくは３０％未満である、請求項１から３のいずれか一項に記載の燃焼機関システム（１）。
5. 前記導管（１７）は、前記断面導管面積（Ａ_Ｃ）の直径よりも大きい導管長さ（Ｌ）を有する、請求項４に記載の燃焼機関システム（１）。
6. 前記導管（１７）は、前記断面導管面積（Ａ_Ｃ）の直径よりも１０％大きい、好ましくは前記断面導管面積（Ａ_Ｃ）の直径よりも２５％大きい、より好ましくは前記断面導管面積（Ａ_Ｃ）の直径よりも５０％大きい導管長さ（Ｌ）を有する、請求項４に記載の燃焼機関システム（１）。
7. 前記チャンバ（６）は、チャンバ容積（Ｖ_Ｃ）を有し、前記受器（１４）は、前記チャンバ容積（Ｖ_Ｃ）の２０％未満である、好ましくは前記チャンバ容積（Ｖ_Ｃ）の１０％未満である受器容積（Ｖ_Ｒ）を有する、請求項１から６のいずれか一項に記載の燃焼機関システム（１）。
8. 遮音ユニット（１９）が、前記煤煙除去ユニット（１０）および／またはＮＯ_Ｘ還元ユニット（４）を少なくとも部分的に包囲する、請求項１から７のいずれか一項に記載の燃焼機関システム（１）。
9. 前記ＮＯ_Ｘ還元ユニット（４）の上流に配置された第２のターボチャージャ（２１）をさらに備える、請求項１から８のいずれか一項に記載の燃焼機関システム（１）。
10. 請求項１から９に記載の燃焼機関システム（１）内のＮＯ_Ｘ還元ユニット（４）のチャンバ（６）内の煤煙を低減させるための煤煙低減方法であって、
    前記弁（１１）を開くステップであって、前記導管（１７）内におよびさらに前記受器（１４）内に前記排気ガスの一部が逃げることを可能にし、前記チャンバ（６）内に伝播される音波を発生させて、前記チャンバ（６）内の前記煤煙の一部を緩める、ステップと、
    前記弁（１１）を閉じるステップと、
    前記受器（１４）を通気させるステップと、
    を含む、方法。

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