JP7106165B2 - 内燃機関の排ガス処理装置用の加熱ガス発生装置 - Google Patents
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Description
本発明の目的は、上記技術の問題点を解消し、排ガス経路内の温度を適切なレベルに維持できて、有効な機能を保つことができる内燃機関の排ガス処理装置用の加熱ガス発生装置を提供することにある。
これらの内燃機関の排ガス処理装置用の加熱ガス発生装置は、前記加熱ユニットは、前記バーナ装置及び前記外気導入手段の下流側に配置され、前記バーナ装置から送給される燃焼ガスと、前記内燃機関の排ガス経路から排出される排ガスと、前記外気導入手段から供給される外気とを混合するミキサを備えてもよい。
前記外気導入手段から供給される外気は、前記バーナ装置の燃焼室の外壁の外側を通るようにしてもよい。
内燃機関の排ガス処理装置用の加熱ガス発生装置は、前記内燃機関の排ガス経路から分岐し前記加熱ユニットの上流で当該排ガス経路に合流する前記排ガス経路とは異なるバイパス排ガス経路と、前記バイパス排ガス経路に設けられた脱硝装置と、前記排ガス経路の上流側と下流側において、前記バイパス排ガス経路と遮断する第1のバルブと、前記バイパス排ガス経路の上流と下流において、前記排ガス経路と遮断する第2のバルブと、前記加熱ユニットから加熱された排ガスの一部を、前記脱硝装置の上流側の前記バイパス排ガス経路の合流点に還流する分岐排ガス経路を備えるようにしてもよい。
さらに、前記分岐排ガス経路に配置され、前記分岐排ガス経路と、前記バイパス排ガス経路との合流点に前記加熱ユニットによって加熱された混合ガスを送るファンと、前記合流点に配置され、前記ファンによって送給された混合ガスと前記バイパス排ガス経路の内燃機関から排出された排ガスとを混合して前記脱硝装置に送るミキサとを備えてもよい。
第1実施形態を説明する。
図1に示すように、エンジン11の排ガスレシーバ(図示しない)及び過給器(図示じない)の下流側には、共通排ガス管路(以下、共通管路という)12が接続されている。その共通管路12には、第1排ガス管路(以下、第1管路という)13及び第2排ガス管路(以下、第2管路という)14が分岐状態で接続されている。第1管路13及び第2管路14の下流側は、合流排ガス管路(以下、合流管路という)15に接続されて合流されている。前記共通管路12,第1管路13,第2管路14及び合流管路15により排ガス経路100が構成されている。
加熱ユニット30は、バーナ装置31とミキサ37とを備えている。前記バーナ装置31は、内部に燃焼空間を形成した燃焼室32と、その燃焼室32の上流部に位置するバーナ33とを備えている。バーナ33は、燃料としてのA重油を燃焼室32内において燃焼させる。燃焼室32には燃焼空気供給管路34が接続され、外気がブロワ35によりこの燃焼空気供給管路34を介して燃焼室32に燃焼用空気として供給される。なお、燃焼室32内の燃焼温度は、その燃焼温度の高い領域において1000℃を超える温度となる。ミキサ37は、第2管路14中に介在されるとともに、燃焼室32の開口部に接続され、燃焼室32内の燃焼によって生じた燃焼ガスがこのミキサ37の一次側に供給される。
前記ミキサ37の一次側には混合空気導入管路36が接続され、前記ブロワ35によりこの混合空気導入管路36を介してミキサ37の一次側に外気(空気)が直接導入される。この混合空気導入管路36は、前記燃焼室32の外壁の外側を通るように配置されている。混合空気導入管路36とブロワ35とにより外気導入手段が構成されている。そして、前記燃焼室32からの燃焼ガスと、混合空気導入管路36からの外気とがミキサ37において混合されて、加熱ガスとしてミキサ37の二次側から第2管路14内に供給される。
前記燃焼空気供給管路34及び混合空気導入管路36には、それぞれ同管路34,36を開閉するとともに、同管路34,36の開度を調節するための開度調節バルブ38,39が設けられている。
図2に示す制御装置45は、前記温度センサ41によって検出された温度やあらかじめ設定されたプログラムなどに基づいて、前記各バルブ17~20,38,39、ポンプ23の各アクチュエータ(図示しない)動作を制御する。なお、この図2においては、後述の他の実施形態におけるセンサ42、バルブ48,53,55,59及びファン52などの電気部品もあわせて図示されている。
エンジン11の運転時において、第1管路13の上流側バルブ17および下流側バルブ18が開放されるとともに、第2管路14の上流側バルブ19および下流側バルブ20が閉鎖された状態においては、エンジン11の排ガスが第1管路13を通って排ガスエコノマイザ16に至る。そして、その排ガスエコノマイザ16において排ガスの排熱が回収されて、外部に排出される。
エンジン11の始動時であって、排ガスの温度が低く、触媒21が前記分解有効温度に達しない場合は、還元反応が充分に行なわれず、窒素酸化物が十分に分解されないおそれがある。このような場合は、触媒21に対する予熱付与動作が実行される。
エンジン11の長期間の運転により、供給ノズル22から触媒21に対して還元剤を長時間にわたって供給すると、析出された酸性硫安などの不純物が触媒21上に少しずつ付着していくことで、触媒21の表面が不純物によって覆われることがある。特に、バーナ装置31を燃焼動作させないで、脱硝操作を行った場合には、不純物の付着により触媒21の脱硝効率が徐々に低下する。従って、このような場合は、以下のように、加熱ユニット30の動作によって触媒21上の不純物を分解させて、触媒21の機能を再生させることができる。
(1)エンジン11の停止時であっても、あるいはエンジン11からの排ガスの温度が低い状態であっても、バーナ装置31を燃焼動作させるとともに、混合空気導入管路36から外気を導入することにより、加熱ガスにより、触媒21の温度を触媒機能が発揮される分解有効温度に昇温できる。従って、排ガス中のNOxを少なくすることができて、排ガスを適切に浄化できる。
次に、本発明の第2実施形態を説明する。この第2実施形態以降の各実施形態及び変更例においては、第1実施形態と異なる部分を中心に説明する。
図3に示すように、第2管路14において触媒21と下流側バルブ20との間の部分から還流管路51が分岐されている。そして、この還流管路51は、前記混合空気導入管路36における開度調節バルブ38の下流側に接続されている。還流管路51には、図2に示すファン52と開閉バルブ53とが設けられている。
(7)触媒21の下流側のガスの一部を触媒21の上流側の第2管路14内に還流させて、触媒21の昇温用に供することができる。このため、混合空気導入管路36から導入される外気の量を少なくできて、バーナ装置31における燃焼量を少なくできる。従って、触媒21の昇温及び温度維持に要する燃費を少なくできる。
次に、本発明の第3実施形態を説明する。
第3実施形態は、図3に示す前記第2実施形態の構成に対して以下の構成を付加したものである。
(9)加熱ユニット30を燃焼動作させれば、エンジン11の停止及び運転に関わらず、バイパス管路54を介してミキサ37からの高温の加熱ガスが合流管路15に供給される。このため、排ガスエコノマイザ16の伝熱管の外周面に酸性硫安などの不純物が付着したとしても、その不純物を熱分解できる。また、バイパス管路54からの高温の加熱ガスにより、排ガス中のPMに対するSOFの固着を防止することも可能になるので、PMなどによる不純物の排ガスエコノマイザ16上における析出を防ぐことができる。従って、排ガスエコノマイザ16の流路抵抗を低減させるとともに、熱回収機能の低下を有効に防止することも可能になる。
次に、本発明の第4実施形態を説明する。
第4実施形態においては、図1に示す前記第1実施形態の構成に対して以下の構成を加えたものである。
エンジン11の運転時には、排ガスが燃焼室32内に送り込まれて、燃焼室32内においてその排ガスが燃焼作用を受ける。
(11)エンジン11からの排ガスが燃焼室32内に送り込まれ、排ガス中の未燃分を含むPM,SOFやCOが燃焼室32内の先端部,つまり高温領域を通過するため、前記PM,SOF,COなどを適切に熱分解または燃焼させることができる。従って、PMなどの不純物が触媒21や排ガスエコノマイザ16の伝熱管に付着したり、前記不純物やCOなどが大気中に放出されたりすることを有効に抑制できる。
次に、本発明の第5実施形態を説明する。
第5実施形態は、図5に示す第4実施形態の構成に対して以下の構成を付加したものである。
(13)触媒21の部分を通過した酸性硫安、PM、燃料未燃分やSOFなどの不純物の一部が燃焼室32において熱分解または燃焼されるため、排ガスエコノマイザ16に達する酸性硫安やPMなどの量を少なくできて、排ガスエコノマイザ16の効率低下を抑制できる。
(第6実施形態)
次に、本発明の第6実施形態を説明する。
図7に示すように、第6実施形態においては、図4に示す前記第3実施形態と同様に、ミキサ37からバイパス管路54が分岐され、そのバイパス管路54は合流管路15に接続されている。バイパス管路54には、開閉バルブ55が設けられている。合流管路15には温度センサ42が設けられている。
(15)温度センサ42による温度検出に基づいて、バイパス管路54の開閉バルブ55を開放することにより、排ガスエコノマイザ16の上流側に高温の加熱ガスを供給できて、第3実施形態と同様に、排ガスエコノマイザ16の伝熱管に対する不純物の付着を防止できる。
第7実施形態は、図6に示す第5実施形態に構成に対して以下の構成を付加したものである。
(17)フィルタ47によってPMなどの不純物を捕捉して、その不純物を分解または燃焼させることができるため、触媒21や排ガスエコノマイザ16に付着する不純物の量を少なくすることができて、触媒21や排ガスエコノマイザ16の効率低下を抑えることができる。
次に、本発明の第8実施形態について説明する。
第8実施形態は、エンジン11が複数設けられたシステムであるとともに、図6に示す前記第5実施形態に対して以下の構成を付加したものである。
そして、加熱ユニット30のミキサ37の二次側に共用室50の一次側が接続され、その共用室50の二次側が接続管路46を介して各エンジンユニット49の第2管路14の上流側バルブ19と触媒21との間の部分に接続されている。共用室50には、還元剤供給用のポンプ23に接続された供給ノズル22が設けられ、共用室50内に還元剤が噴霧される。なお、第2管路14内には供給ノズル22は設けられていない。接続管路46には、図2及び図9に示すように、バルブ48が設けられている。
従って、第8実施形態においては、共用室50内において供給ノズル22から噴霧された還元剤が接続管路46を介して各エンジンユニット49の触媒21に供給される。また、各エンジンユニット49の触媒21の下流側の排ガスの一部が還流管路51を介して燃焼室32に供給される。
(18)複数のエンジンユニット49に対して単一の加熱ユニット30を共用したため、エンジンユニット49が複数であっても、全体の構成をコンパクト化できるとともに、全体構成の複雑化を避けることができる。
次に、本発明の第9実施形態を説明する。
第9実施形態は、図1に示す第1実施形態に対して加熱ユニット30の位置を変更したものである。
(19)排ガスエコノマイザ16の酸性硫安などの不純物をエンジン11が停止中であっても加熱ユニット30からの加熱ガスによって熱分解でき、排ガスエコノマイザ16を高効率状態に維持できる。
次に、本発明の第10実施形態を説明する。
第10実施形態においては、図10に示す第9実施形態の構成に対して以下の構成を付加したものである。
(21)高温のミキシングガスを加熱ガスとして触媒21の上流側に供給して、排ガスとミキシングできるため、エンジン始動時などにおいて、排ガスが低温であっても、触媒21に供給されるガスを昇温でき、触媒21において適切な還元作用を得ることができる。また、さらに加熱ガスをミキサ37から別のミキサ57に送って触媒21を昇温させることにより、触媒21上の酸性硫安などの不純物を分解させることができる。
次に、本発明の第11実施形態を説明する。
図12に示すように、第11実施形態においては、図10に示す第9実施形態の構成に対して、図5に示す第4実施形態の加熱ユニット30を合流管路15に接続したものである。このため、加熱ユニット30のバーナ装置31を燃焼動作させれば、エンジン11の停止中であっても、排ガスエコノマイザ16上の不純物を分解できる。
(22)排ガスに含まれるカーボン微粒子などよりなるPMなどの不純物やCOを燃焼室32内において燃焼させることができるとともに、エンジン11の運転・停止に関わらず排ガスエコノマイザ16上の不純物を分解できる。
次に、本発明の第12実施形態について説明する。
図13に示すように、第12実施形態においては、図12に示す前記第11実施形態の構成に対して、以下の構成を付加したものである。すなわち、第12実施形態においては、第11実施形態の構成に対して、図11に示す第10実施形態と同様に、第2管路14上に別のミキサ57が設けられるとともに、ミキサ37,57間に開閉バルブ59及びファン60を有する分岐管路58が接続されている。
(23)排ガス中のPMなど不純物やCOを燃焼室32において燃焼でき、また、燃焼室32からの燃焼ガスにより、触媒21を再生できるとともに、排ガスエコノマイザ16上の不純物を分解できる。
本発明は、前記各実施形態に限定されるものではなく、以下のような態様で具体化することも可能である。
・前記各実施形態においては、上流側バルブ19が第2管路14を開閉する機能と、第2管路14の開度を調節する機能との双方の機能を有する。これに対し、上流側バルブとして、第2管路14を開閉するバルブと、第2管路14の開度を調節するバルブとのそれぞれ単機能のバルブを設けること。
前記各実施形態及び変更例から把握され、請求項に記載されていない技術的思想は以下のとおりである。
(B)前記加熱ユニット30の上流側において、前記排ガス経路100には、その排ガス経路100を開閉するための開閉バルブ19を備えた請求項1及び2、前記技術的思想(A)項のうちのいずれか一項に記載の内燃機関の脱硝装置用の加熱ガス発生装置。
以上の構成においては、排ガス経路100に適量の排ガスを流すことができて、加熱ユニット30のバーナ装置31からの燃焼ガスを少なくして、バーナ装置31における燃料消費量を少なくできる。
(F)前記排ガス経路100を前記バーナ装置31の燃焼室32に接続した請求項1及び2、前記技術的思想(A)~(E)のうちのいずれか一項に記載の内燃機関の脱硝装置用の加熱ガス発生装置。
(G)前記燃焼室32を円筒状に形成し、バーナ33を前記燃焼室32の一端部に配置するとともに、前記排ガス経路100の内燃機関11側及び触媒21側を前記燃焼室32の他端部においてその燃焼室32の軸線と交差する方向に向かって開口させた前記技術的思想(F)項に記載の内燃機関の脱硝装置用の加熱ガス発生装置。
(H)前記排ガス経路100における脱硝触媒21と前記排熱回収手段16の部分と、前記外気導入手段36との間に還流管路51を設けるとともに、その還流管路51内に排ガス経路100内の排ガスを前記外気導入手段36側に送るためのファン52を設け、還流管路51を前記排ガス管路14の内燃機関側に接続した前記技術的思想(E)項に記載の内燃機関の脱硝装置用の加熱ガス発生装置。
(I)前記ミキサ37と前記排ガス経路100との間に微粒子捕捉フィルタ47が介在された前記技術的思想(A)項に記載の内燃機関の脱硝装置用の加熱ガス発生装置。
(J)前記外気導入手段を構成する混合空気導入路36を前記ミキサ37の一次側に接続するとともに、その混合空気導入路36を前記ミキサ37及び微粒子捕捉フィルタ47の外側を通って前記排ガス経路100に接続した前記技術的思想(I)項に記載の内燃機関の脱硝装置用の加熱ガス発生装置。
(K)複数の排ガス経路100を並設するとともに、前記加熱ユニット30を複数の排ガス経路100で共有化した請求項1または2に記載の内燃機関の脱硝装置用の加熱ガス発生装置。
(L)前記加熱ユニット30が前記脱硝触媒21と前記排熱回収手段16との間の排ガス経路に設けられた前記技術的思想(E)項に記載の内燃機関の脱硝装置用の加熱ガス発生装置。
(M)前記排ガス経路100における前記脱硝触媒21の上流側にミキサ57を接続し、前記加熱ユニット30のミキサ37から分岐された分岐路58が脱硝触媒21の上流側のミキサ57に接続された前記技術的思想(L)項に記載の内燃機関の脱硝装置用の加熱ガス発生装置。
(N)前記排ガス経路100を前記バーナ装置31の燃焼室32に接続した前記技術的思想(M)項に記載の内燃機関の脱硝装置用の加熱ガス発生装置。
(O)前記燃焼室32を円筒状に形成し、バーナ33を前記燃焼室32の一端部に配置するとともに、前記排ガス経路100の内燃機関11側及び脱硝触媒21側を前記燃焼室32の他端部においてその燃焼室32の軸線と交差する方向に向かって開口させた前記技術的思想(N)項に記載の内燃機関の脱硝装置用の加熱ガス発生装置。
(P)請求項1または2に記載の内燃機関11の脱硝装置用の加熱ガス発生装置において、前記内燃機関11の運転時において前記バーナ装置31を作動させて、前記脱硝触媒21を予熱または再生させる内燃機関の脱硝装置用の加熱ガス発生装置の運転方法。
Claims (11)
- 内燃機関の排ガス経路に設けられた排ガス処理装置に対して加熱ガスを送給する内燃機関の排ガス処理装置用の加熱ガス発生装置であって、
当該排ガス処理装置の上流側の前記排ガス経路に対して燃焼によって生じた燃焼ガスを送給するためのバーナ装置を含む加熱ユニットと、
前記加熱ユニットにおいて前記バーナ装置から送給された燃焼後の前記燃焼ガスを目的の温度に調整するため当該燃焼ガスと混合するための外気を前記バーナ装置の下流から導入するための外気導入手段と、
前記外気導入手段において外気の導入量を調節する開度調節バルブと
を備えることを特徴とする内燃機関の排ガス処理装置用の加熱ガス発生装置。 - 内燃機関の排ガス経路に設けられた排ガス処理装置に対して加熱ガスを送給する内燃機関の排ガス処理装置用の加熱ガス発生装置であって、
当該排ガス処理装置の上流側の前記排ガス経路に対して燃焼によって生じた燃焼ガスを送給するためのバーナ装置を含む加熱ユニットを備え、
前記バーナ装置の円筒状の燃焼室の一端部には、バーナが配置されるとともに、
当該燃焼室の他端部には前記内燃機関の排ガス経路が、前記燃焼室の軸線と直交する方向で排ガスが前記燃焼室の他端部の高温領域を直線的に横切るように接続され、前記燃焼室内に前記排ガス経路から供給される内燃機関の排ガスが供給されることを特徴とする内燃機関の排ガス処理装置用の加熱ガス発生装置。 - 前記加熱ユニットには、
前記燃焼室から排出された燃焼ガスと混合するための外気を導入するための外気導入手段を備えることを特徴とする請求項2に記載の内燃機関の排ガス処理装置用の加熱ガス発生装置。 - 前記加熱ユニットは、
前記バーナ装置及び前記外気導入手段の下流側に配置され、前記バーナ装置から送給される燃焼ガスと、前記内燃機関の排ガス経路から排出される排ガスと、前記外気導入手段から供給される外気とを混合するミキサを備えることを特徴とする請求項1又は請求項3に記載の内燃機関の排ガス処理装置用の加熱ガス発生装置。 - 前記排ガス処理装置と前記加熱ユニットとの間に、第1の温度センサを設けたことを特徴とする請求項1、3、4のいずれか一項に記載の内燃機関の排ガス処理装置用の加熱ガス発生装置。
- 前記外気導入手段から供給される外気は、前記バーナ装置の燃焼室の外壁の外側を通ることを特徴とする請求項1、3、4、5のいずれか一項に記載の内燃機関の排ガス処理装置用の加熱ガス発生装置。
- 前記排ガス処理装置は、排熱回収装置であることを特徴とする請求項1~6のいずれか一項に記載の内燃機関の排ガス処理装置用の加熱ガス発生装置。
- 前記内燃機関の前記排ガス経路に設けられた脱硝装置と、
前記脱硝装置の上流側の前記排ガス経路に加熱ガスを供給する前記加熱ユニットと、
前記加熱ユニットの上流において、前記排ガス経路を遮断する第1のバルブと、
前記脱硝装置の下流において、前記排ガス経路を遮断する第2のバルブと、
前記加熱ユニットから加熱された排ガスの一部を、前記脱硝装置の下流側の前記排ガス経路に還流するバイパス排ガス経路と、を備えることを特徴とする請求項1~7のいずれか一項に記載の内燃機関の排ガス処理装置用の加熱ガス発生装置。 - 前記バイパス排ガス経路に、前記加熱ユニットと前記排ガス経路とを遮断する第3のバルブを備えることを特徴とする請求項8に記載の内燃機関の排ガス処理装置用の加熱ガス発生装置。
- 前記バイパス排ガス経路に配置され、前記バイパス排ガス経路と、前記排ガス経路との分岐点に前記加熱ユニットによって加熱された混合ガスを送るファンと、
前記分岐点に配置され、前記ファンによって送給された混合ガスと前記バイパス排ガス経路の内燃機関から排出された排ガスとを混合して前記脱硝装置に送るミキサとを備えることを特徴とする請求項8又は請求項9に記載の内燃機関の排ガス処理装置用の加熱ガス発生装置。 - 前記分岐点と前記脱硝装置の間の前記バイパス排ガス経路に配置された第2の温度センサを備えたことを特徴とする請求項10に記載の内燃機関の排ガス処理装置用の加熱ガス発生装置。
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