JP7369290B2 - 舶用ディーゼルエンジン用高圧ｓｃｒガス交換圧力安定化システム及びそれを備えた船舶 - Google Patents

Description

本発明は、一般に、舶用ディーゼルエンジンの排ガスの後処理の技術分野に関し、より具体的には、舶用ディーゼルエンジンのための高圧ＳＣＲ（Selective Catalytic Reduction、即ち選択式触媒還元技術）のガス交換圧力安定化システム及びそれを備えた船舶に関するものである。

選択式触媒還元技術（ＳＣＲ）は、ディーゼルエンジンの排ガス中のＮＯ_Ｘを処理するプロセスであり、即ち、触媒の作用の下で、還元剤であるアンモニアや尿素を噴入し、排ガス中のＮＯ_ＸをＮ_２とＨ_２Ｏに還元するものである。ＳＣＲの使用は、ディーゼルエンジンの排ガス中のＮＯ_Ｘの後処理の主流の技術である。ＳＣＲ尿素供給噴射システムは、ＳＣＲシステムの中核となる部分であり、尿素水の供給、正確な計量、霧状噴射を行うための機構である。

先行技術では、ＳＣＲシステムを搭載した舶用ディーゼルエンジンにおいて、３次規制（ティア３）適合から２次規制（ティア２）適合に切り替える場合、ＳＣＲ反応器と管を浄化してＳＣＲ反応器と管における硫化物の生成と管の腐食を避けるために、ＳＣＲ反応器と管を一定の圧力の圧縮空気で吹き払ってガス交換し、密封する必要がある。この段階では、圧縮空気の入口と出口の菅にスロットルオリフィスプレートを取り付けて、連続的に吹き払うことが多いが、このような方式では通常はガス交換が十分ではなく、信頼性も低くなる。

したがって、上記の問題を少なくとも部分的に解決するために、舶用ディーゼルエンジン用高圧ＳＣＲガス交換圧力安定化システム及びそれを備えた船舶を提供する必要がある。

発明の概要では、一連の簡略化した形式の概念を導入しているが、発明を実施するための形態では、さらに詳しく説明する。本発明の発明の概要は、保護が要求される解決手段の主要な特徴及び必須の技術的特徴を限定しようとするものではなく、ましてや保護が要求される解決手段の保護範囲を決定しようとするものでもない。

上記課題を少なくとも部分的に解決するために、本発明は、舶用ディーゼルエンジン用高圧ＳＣＲガス交換圧力安定化システムであって、
ディーゼルエンジンの排ガスを脱硝するために使用されるＳＣＲ反応器と、
一端に排ガス入口を備え、他端が前記ＳＣＲ反応器の排ガス入口に接続され、ＳＣＲ入口弁を備えた、入口管と、
一端に排ガス出口を備え、他端が前記ＳＣＲ反応器の排ガス出口に接続され、ＳＣＲ出口弁を備えた、排気管と、
一端が前記吸気管に接続され、他端が前記排気管に接続され、ＳＣＲバイパス弁を備えた、バイパス管と、
両端がそれぞれ前記ＳＣＲ出口弁の両側に位置する前記排気管に接続され、空気圧弁を備えた、空気圧管と、
前記ＳＣＲ反応器に接続され、第１制御弁を備えた、第１補助管と、
前記吸気管に接続され、第２制御弁を備えた、第２補助管と、
を備え、
前記舶用ディーゼルエンジン用高圧ＳＣＲガス交換圧力安定化システムがガス交換状態にあるときに、前記吸気管、前記ＳＣＲ反応器、及び前記排気管内の排ガスは、前記第１補助管及び前記第２補助管から流入した圧縮空気によって押されて前記排ガス口より排出される、舶用ディーゼルエンジン用高圧ＳＣＲガス交換圧力安定化システムを提供する。

任意に、前記ＳＣＲ出口弁の両側に位置する前記排気管に両端がそれぞれ接続されて、前記ＳＣＲ反応器内の気体と前記排ガス出口での気体との間の圧力差を感知するための差圧センサをさらに備えており、
任意に、前記差圧センサ、前記第１制御弁、前記第２制御弁、及び前記空気圧弁に電気的に接続され、前記空気圧弁、前記第１制御弁、及び前記第２制御弁の開閉を制御するように構成された制御装置をさらに備えている。

任意に、前記制御装置は、前記ガス交換状態において、前記空気圧弁、前記第１制御弁、及び前記第２制御弁がいずれも開くように制御するように構成されている。

任意に、前記制御装置は、前記ガス交換状態後の前記圧力安定状態において、前記第２制御弁を閉じるように制御するように構成されており、かつ、
前記差圧センサの前記監視値が所定の差圧範囲より高いとき、前記制御装置は、前記空気圧弁を開くように制御するとともに、前記第１制御弁を閉じるように制御し、
前記差圧センサの前記監視値が所定の差圧範囲より低いとき、前記制御装置は、前記第１制御弁を開くように制御するとともに、前記空気圧弁を閉じるように制御する。

任意に、前記制御装置は、ガス交換が所定のガス交換時間だけ持続するように前記舶用ディーゼルエンジン用高圧ＳＣＲガス交換圧力安定化システムを制御するように構成され、前記所定のガス交換時間は、前記ＳＣＲ反応器、前記吸気管、及び前記排気管の断面積及び／又は長さに対応して設定される。

任意に、前記第１補助管が煤吹出空気管であり、かつ／又は、
前記第２補助管は、尿素霧化空気管である。

任意に、前記空気圧管は、さらにスロットルオリフィスプレートを備えている。

任意に、前記排気管は、さらにターボチャージャーを備えている。

本発明の他の態様によれば、さらに、上述の舶用ディーゼルエンジン用高圧ＳＣＲガス交換圧力安定化システムを備えた船舶が提供される。

本発明の舶用ディーゼルエンジン用高圧ＳＣＲガス交換圧力安定化システムは、ＳＣＲ反応器、吸気管、排気管、バイパス管、空気圧管、第１補助管、第２補助管を備える。ディーゼルエンジンの排ガスを脱硝する必要がある場合、ディーゼルエンジンの排ガスを排ガス入口から流入させ、吸気管、ＳＣＲ反応器、排気管をこの順に通過させ、排ガス出口から排出することができ、ディーゼルエンジンの排ガスがＳＣＲ反応器で脱硝することが可能である。ディーゼルエンジンの排ガスが脱硝を必要としない場合、ディーゼルエンジンの排気ガスは排ガス入口から流入し、バイパス管を通過して排ガス出口から排出されるようにでき、ＳＣＲ反応器と排気管内の排気ガスを第１補助管と第２補助管から入る圧縮空気で押して排ガス出口から排出して、ＳＣＲ反応器と関連する管を浄化することができる。本発明は、従来のＳＣＲガス交換圧力安定化システムに比べ、既存の吸気配管をなくすことで構造を簡素化し、システムをコンパクトにするとともに、空気消費量を低減しながら十分なガス交換量を確保することができる。

以下、本発明の実施の形態の図面を、本発明の理解の一部として使用する。添付図面は、本発明の一実施の形態を示し、その原理を説明するためのものである。添付図面において、
図１は、本発明の好ましい実施の形態に係る舶用ディーゼルエンジン用高圧ＳＣＲガス交換圧力安定化システムの概略構成を示す図である。

１０：ＳＣＲ反応器 ２０：吸気管
２１：ＳＣＲ入口弁 ３０：排気管
３１：ＳＣＲ出口弁 ４０：バイパス管
４１：ＳＣＲバイパス弁 ５０：空気圧管
５１：空気圧弁 ５２：スロットルオリフィスプレート
６０：差圧センサ ７０：第１補助管
７１：第１制御弁 ８０：第２補助管
８１：第２制御弁 ９０：ターボチャージャ

以下の説明では、本発明をより深く理解するために、多数の具体的な内容を示す。しかしながら、本発明の実施の形態が、これらの詳細の１つ以上がなくても実施できることは、当業者には明らかであろう。他の例では、本発明の実施の形態との混同を避けるために、当技術分野で周知のいくつかの技術的特徴については説明しない。

本発明の実施の形態を十分に理解するために、以下の説明で詳細な構成を示す。本発明の実施の形態は、当業者が熟知している特定の細部に限定されないことは明らかである。

本発明は、舶用ディーゼルエンジン用高圧ＳＣＲガス交換圧力安定化システムを提供する。このシステムは、図１に示すように、ＳＣＲ反応器１０、吸気管２０、排気管３０、バイパス管４０、空気圧管５０、第１補助管７０、及び第２補助管８０から構成されている。

ＳＣＲ反応器１０は、舶用ディーゼルエンジンの排ガスに対して脱硝処理をするのに用いることができる。ＳＣＲ反応器１０内には、排ガス中のＮＯ_Ｘと反応可能な触媒、例えば、尿素水などを備えており、ＳＣＲ反応器１０に流入した排ガス中のＮＯ_Ｘは触媒と還元反応して、Ｎ_２とＨ_２Ｏを生成する。実際には、還元反応が起こる温度は触媒の組成により異なるが、一般的には２５０℃～４００℃である。

本発明の好ましい実施の形態では、吸気管２０の一端に排ガス入口が設けられ、他端はＳＣＲ反応器１０の吸気口に接続され、吸気管２０にはＳＣＲ入口弁２１が設けられ、ディーゼルエンジンからの排ガスは、排ガス入口を通って吸気管２０を経由してＳＣＲ反応器１０に入る。排気管３０の一端には排ガス出口が設けられ、他端はＳＣＲ反応器１０の排気口に接続され、排気管３０にはＳＣＲ出口弁３１が設けられ、ディーゼルエンジンからの排ガスは、ＳＣＲ反応器１０を通過した後、排気管３０を経て排ガス出口から排出される。バイパス管４０の一端は、排ガス入口とＳＣＲ入口弁２１との間に位置する接続箇所で吸気管２０に接続されており、他端は、排ガス出口とＳＣＲ出口弁３１との間に位置する接続箇所で排気管３０に接続されており、バイパス管４０にはＳＣＲバイパス弁４１が設けられている。出口弁３１の両側には空気圧管５０が接続され、空気圧管５０には空気圧弁５１とスロットルオリフィスプレート５２が設けられる。

ディーゼルエンジンからの排ガスがＳＣＲ反応器１０を通過する必要がない場合には、排ガス入口から流入した排ガスをバイパス管４０を介して排ガス出口から直接排出することが可能である。

本実施の形態では、ディーゼルエンジンの排ガスが脱硝処理のためにＳＣＲ反応器１０を通過する必要があるとき、すなわちＳＣＲ反応器１０が運転状態に入る必要があるとき、ＳＣＲ入口弁２１及びＳＣＲ出口弁３１を開き、ＳＣＲバイパス弁４１を閉じ、ディーゼルエンジンの排ガスは排ガス入口から舶用ディーゼルエンジン用高圧ＳＣＲガス交換圧力安定化システムに入り、吸気管２０、ＳＣＲ反応器１０、排気管３０をこの順に通過し、最終的に排ガス出口から排出される。ディーゼルエンジンからの排ガスがＳＣＲ反応器１０を通過すると、排ガス中のＮＯ_Ｘは触媒との間で還元反応を起こす。

ディーゼルエンジンの排ガスが脱硝処理のためにＳＣＲ反応器１０を通過する必要がないとき、すなわちＳＣＲ反応器１０が非運転状態になるとき、ＳＣＲ入口弁２１及びＳＣＲ出口弁３１を閉じ、ＳＣＲバイパス弁４１を開くことができる。ディーゼルエンジンの排ガスは、排ガス入口から舶用ディーゼルエンジン用高圧ＳＣＲガス交換圧力安定化システムに入り、バイパス管４０を通って排ガス出口から排出される。この非運転状態では、吸気管２０、ＳＣＲ反応器１０、排気管３０にディーゼルエンジンからの排ガスが残留し、この排ガスによって、硫黄化合物が発生したり、設備や管を腐食させたりする可能性がある。本実施の形態では、第１補助管７０がＳＣＲ反応器１０に接続され、第２補助管８０が吸気管２０に接続されており、第１補助管７０及び第２補助管８０は、圧縮空気を搬送して吸気管２０、ＳＣＲ反応器１０、及び排気管３０に残留するディーゼルエンジンの排ガスを排ガス出口から外部に排出できる。

本発明の舶用ディーゼルエンジン用高圧ＳＣＲガス交換圧力安定化システムにより、ＳＣＲ反応器１０が非運転状態にあるとき、第１補助管７０及び第２補助管８０によって搬送される圧縮空気を利用して、吸気管２０、ＳＣＲ反応器１０、及び排気管３０に残っているディーゼルエンジンの排ガスを排ガス出口から排出することで、ＳＣＲ反応器１０及び関連する管を浄化できるので、システム全体の構造がシンプルになり、システムがコンパクトになると同時に、十分なガス交換が保証され、ガス消費量も低減される。

さらに、ディーゼルエンジンの排ガスがＳＣＲ反応器１０や関連する管に侵入して管が腐食しないように、すなわちガス交換後に圧力安定状態となるように、ＳＣＲ反応器１０内を一定の気圧に維持する必要がある。本発明の実施の形態では、さらに差圧センサ６０と制御装置（不図示）とが設けられる。

差圧センサ６０は、ＳＣＲ反応器１０内の気体と排ガス出口を通過する気体との圧力差を検出できる。具体的には、差圧センサ６０の両端は、ＳＣＲ出口弁３１の両側に位置する排気管３０に接続されている。制御装置は、差圧センサ６０、第１制御弁７１、第２制御弁８１、及び空気圧弁５１に電気的に接続されている。本実施の形態では、制御装置は、第１制御弁７１、第２制御弁８１、及び空気圧弁５１の開閉を制御可能である。

具体的には、舶用ディーゼルエンジン用高圧ＳＣＲガス交換圧力安定化システムがガス交換状態にあるとき、制御装置は、空気圧弁５１、第１制御弁７１、及び第２制御弁８１をいずれも開くように制御することができる。このとき、第１補助管７０及び第２補助管８０は、吸気管２０、ＳＣＲ反応器１０、及び排気管３０に残留するディーゼルエンジンの排ガスを排ガス出口から押し出す圧縮空気を送出できる。

従って、制御装置は、ガス交換が所定のガス交換時間だけ持続するように、舶用ディーゼルエンジン用高圧ＳＣＲガス交換圧力安定化システムを制御し、ここで、所定のガス交換時間は、ＳＣＲ反応器１０、吸気管２０、及び排気管３０の断面積及び／又は長さに応じて設定される。すなわち、ＳＣＲ反応器１０の規格や吸気管２０及び排気管３０の寸法には違いがあるため、十分なガス交換を行うためには、舶用ディーゼルエンジンごとに異なるガス交換時間を設定する必要がある。

舶用ディーゼルエンジン用高圧ＳＣＲガス交換圧力安定化システムは、ガス交換状態の終了した後に圧力安定状態になり、圧力安定状態の間は、第２制御弁８１は閉じたままである。

さらに、圧力安定状態において、差圧センサ６０が感知した監視値が所定の差圧範囲より高い場合、すなわち、ＳＣＲ反応器１０内の気圧が排ガス出口における気圧よりも高い場合、ＳＣＲ反応器１０を保護するために、制御装置は、ＳＣＲ反応器１０の圧力除去を促進するように、空気圧管５０に設けられた空気圧弁５１を開くように制御するとともに、第１制御弁７１を閉じるように制御し、最終的にＳＣＲ反応器１０内の気体と排ガス出口を通過する気体との圧力差を所定の圧力差範囲に維持する。差圧センサ６０によって感知された監視値が所定の差圧範囲内に達すると、ＳＣＲ反応器１０内の気圧が低すぎてディーゼルエンジンからの排ガスがＳＣＲ反応器１０に入ることを避けるために空気圧弁５１が閉じることが理解されよう。

差圧センサ６０によって感知された監視値が所定の差圧範囲より低い場合、すなわち、ＳＣＲ反応器１０内の気圧が排ガス出口における気圧よりも小さい場合、ディーゼルエンジンからの排ガスはＳＣＲ反応器１０に入る可能性があって、制御装置は第１補助管７０上の第１制御弁７１を開くよう制御するとともに、空気圧弁５１を閉じるように制御することで、圧縮空気が第１補助管７０を介してＳＣＲ反応器１０内に流入し、ＳＣＲ反応器１０内の圧力が徐々に増加し、最終的にＳＣＲ反応器１０内の気体と排ガス出口を通過する気体との圧力差が所定の圧力差範囲に維持される。差圧センサ６０によって感知された監視値が所定の差圧範囲内に達すると、ＳＣＲ反応器１０内の気圧が高くなりすぎないように、第１制御弁７１が閉じることが理解されよう。

好ましくは、第１補助管７０は、圧力安定状態において、いつでも圧縮空気を補充する必要があるため、第１補助管７０は、煤吹出空気管であることが好ましい。

第２補助管８０は、ＳＣＲ反応器１０が運転状態にあるときに、尿素水を噴霧するために圧縮空気を補充してよく、舶用ディーゼルエンジン用高圧ＳＣＲガス交換圧力安定化システムのガス交換状態において圧縮空気を補充してよく、第２補助管８０は、尿素霧化空気管であってよい。

好ましくは、空気圧管５０上にさらにスロットルオリフィスプレート５２が設けられ、スロットルオリフィスプレート５２は、空気圧管５０内の気体の流れを保証して、ＳＣＲ反応器１０内の気圧を一定に保つことができる。また、排気管３０上にはさらにターボチャージャ９０が設けられており、ターボチャージャ９０は、排ガス出口とバイパス管４０と排気管３０との接続部との間に設けられている。ターボチャージャ９０は、ディーゼルエンジンの排ガスの慣性衝動を最大限に利用して、ディーゼルエンジンの吸気口（図示せず）の気体の圧力を上昇させることができる。

本発明の別の態様によれば、上記のような舶用ディーゼルエンジン用高圧ＳＣＲガス交換圧力安定化システムを備えた船舶も提供される。

本明細書で使用される技術用語及び科学用語は、特に定義されない限り、本発明の技術分野の当業者が一般的に理解する意味と同じである。本明細書で使用される用語は、特定の実施の形態を説明することのみを目的としており、本発明を限定することを意図していない。 本書でいう「設ける」及び「備える」とは、ある部品を他の部品に直接取り付けること、または、ある部品を中間部品によって他の部品に取り付けることを意味する場合がある。ある実施の形態において本明細書に記載された特徴は、その特徴がその他の実施の形態において適用できないか、または他に指定されていない限り、単独でまたは他の特徴と組み合わせて他の実施の形態に適用され得る。

以上、本発明を実施の形態により説明したが、上記実施の形態は例示及び説明のためのものであり、本発明を記載した実施の形態に限定することを意図するものではないことを理解されたい。本発明の教示に従って、より多様な変形及び修正を行うことができ、そのすべてが本発明によって主張される保護の範囲に入ることは、当業者には理解されよう。

Claims (12)

1. 舶用ディーゼルエンジン用高圧ＳＣＲガス交換圧力安定化システムであって、
   ディーゼルエンジンの排ガスを脱硝するために使用されるＳＣＲ反応器と、
   一端に排ガス出口を備え、他端が前記ＳＣＲ反応器の排ガス出口に接続され、ＳＣＲ出口弁を備えた、排気管と、
   両端がそれぞれ前記ＳＣＲ出口弁の両側に位置する前記排気管に接続され、空気圧弁を備えた、空気圧管と、
   圧縮空気を搬送するために用いられ、前記ＳＣＲ反応器に接続された、第１補助管と、
   前記空気圧管に設けられた、スロットルオリフィスプレートと、
   を備え、
   前記舶用ディーゼルエンジン用高圧ＳＣＲガス交換圧力安定化システムがガス交換状態にあるときに、前記ＳＣＲ反応器及び前記排気管内の排ガスは、前記第１補助管から流入した圧縮空気によって押されて、前記空気圧管を通って、前記排ガス出口より排出される、舶用ディーゼルエンジン用高圧ＳＣＲガス交換圧力安定化システム。
2. 請求項１に記載の舶用ディーゼルエンジン用高圧ＳＣＲガス交換圧力安定化システムであって、
   前記スロットルオリフィスプレートは、前記空気圧弁の上流に位置する、舶用ディーゼルエンジン用高圧ＳＣＲガス交換圧力安定化システム。
3. 請求項１に記載の舶用ディーゼルエンジン用高圧ＳＣＲガス交換圧力安定化システムであって、
   前記排気管に設けられ、かつ、前記排ガス出口と前記ＳＣＲ出口弁との間に位置するターボチャージャをさらに備え、前記空気圧管は前記ターボチャージャの上流に位置する、舶用ディーゼルエンジン用高圧ＳＣＲガス交換圧力安定化システム。
4. 請求項１に記載の舶用ディーゼルエンジン用高圧ＳＣＲガス交換圧力安定化システムであって、
   前記ＳＣＲ反応器の排ガス入口に接続される、入口管と、
   一端が前記入口管に接続され、他端が前記排気管に接続され、ＳＣＲバイパス弁を備えた、バイパス管と、
   をさらに備え、
   前記バイパス管と前記排気管との接続箇所は、前記排ガス出口と前記ＳＣＲ出口弁との間に位置する、舶用ディーゼルエンジン用高圧ＳＣＲガス交換圧力安定化システム。
5. 請求項１に記載の舶用ディーゼルエンジン用高圧ＳＣＲガス交換圧力安定化システムであって、
   前記ＳＣＲ出口弁の両側に位置する前記排気管に両端がそれぞれ接続されて、前記ＳＣＲ反応器内の気体と前記排ガス出口での気体との間の圧力差を感知するための差圧センサをさらに備えた、舶用ディーゼルエンジン用高圧ＳＣＲガス交換圧力安定化システム。
6. 請求項５に記載の舶用ディーゼルエンジン用高圧ＳＣＲガス交換圧力安定化システムであって、
   前記ＳＣＲ反応器の排ガス入口に接続される、入口管と、
   圧縮空気を搬送するために用いられ、前記入口管に接続され、第２制御弁を備えた、第２補助管と、
   前記差圧センサ、前記第１補助管上の第１制御弁、前記第２制御弁、及び前記空気圧弁に電気的に接続され、前記空気圧弁、前記第１制御弁、及び前記第２制御弁の開閉を制御するように構成された制御装置と、
   をさらに備えた、舶用ディーゼルエンジン用高圧ＳＣＲガス交換圧力安定化システム。
7. 請求項６に記載の舶用ディーゼルエンジン用高圧ＳＣＲガス交換圧力安定化システムであって、
   前記制御装置は、前記ガス交換状態において、前記空気圧弁、前記第１制御弁、及び前記第２制御弁をいずれも開状態に保持するように制御するように構成されている、舶用ディーゼルエンジン用高圧ＳＣＲガス交換圧力安定化システム。
8. 請求項６に記載の舶用ディーゼルエンジン用高圧ＳＣＲガス交換圧力安定化システムであって、
   前記制御装置は、前記ガス交換状態後の圧力安定状態において、前記第２制御弁を閉じ、かつ前記第１制御弁及び前記空気圧弁をいずれも開状態を保持するように制御するように構成されており、かつ、
   前記差圧センサの監視値が所定の差圧範囲より低いとき、前記第１制御弁が開状態を保持するように制御するとともに、前記空気圧弁を閉じるように制御する、舶用ディーゼルエンジン用高圧ＳＣＲガス交換圧力安定化システム。
9. 請求項８に記載の舶用ディーゼルエンジン用高圧ＳＣＲガス交換圧力安定化システムであって、
   前記制御装置は、前記差圧センサの前記監視値が所定の差圧範囲より高いとき、前記空気圧弁が開状態を保持するように制御するとともに、前記第１制御弁を閉じるように制御する、舶用ディーゼルエンジン用高圧ＳＣＲガス交換圧力安定化システム。
10. 請求項６に記載の舶用ディーゼルエンジン用高圧ＳＣＲガス交換圧力安定化システムであって、
    前記制御装置は、ガス交換が所定のガス交換時間だけ持続するように前記舶用ディーゼルエンジン用高圧ＳＣＲガス交換圧力安定化システムを制御するように構成され、前記所定のガス交換時間は、前記ＳＣＲ反応器、前記入口管、及び前記排気管の断面積及び／又は長さに対応して設定される、舶用ディーゼルエンジン用高圧ＳＣＲガス交換圧力安定化システム。
11. 請求項６に記載の舶用ディーゼルエンジン用高圧ＳＣＲガス交換圧力安定化システムであって、
    前記第１補助管が煤吹出空気管であり、かつ／又は、
    前記第２補助管は、尿素霧化空気管である、舶用ディーゼルエンジン用高圧ＳＣＲガス交換圧力安定化システム。
12. 船舶であって、請求項１～１１のいずれか１項に記載の舶用ディーゼルエンジン用高圧ＳＣＲガス交換圧力安定化システムを備えた、船舶。