JP2014034887A - ディーゼルエンジンの排気ガス処理装置及び排気ガス処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】排気ガス浄化手段におけるダストの堆積を抑制する。
【解決手段】排気ガス通路２に排気ガス中の窒素酸化物を除去する脱硝触媒５を備えたディーゼルエンジン１の排気ガス処理装置であって、脱硝触媒５の上流側の排気ガス通路２に、当該排気ガス通路２内を通過する排気ガスを加熱して排気ガス中のダストを燃焼させる燃焼器４を備え、燃焼器４は、ディーゼルエンジン１の作動時に常時作動させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ディーゼルエンジンの排気ガス中のダストを除去する排気ガス処理装置及び排気ガス処理方法に関する。

近年、船舶に使用されるディーゼルエンジンにおいて、排気ガスの浄化要求の強化に伴い、排気ガス中の窒素酸化物を浄化する脱硝装置の適用が検討されている。脱硝装置としては、例えば触媒を用いた接触還元法が知られている。この接触還元法は、アンモニア等の還元剤を用いて、排気ガス通路に設けられた触媒上で窒素酸化物を還元反応させ、無害の水と窒素に分解して、排気ガスを浄化させる。
ディーゼルエンジンの排気ガスには、窒素酸化物の他にもすす等からなる粒子状のダストが混入している。したがって、エンジンの運転とともに、触媒にダストが堆積して、触媒における排気浄化性能の低下を招くといった問題点がある。

そこで、触媒の上流側にダストを捕捉するフィルタを設けることが考えられる。
更に、ディーゼルエンジンの排気ガス通路に設けられたフィルタを加熱するバーナーを備え、フィルタにダストが堆積した時点でバーナーを作動させて、フィルタに堆積したダストを燃焼除去してフィルタを再生する方法が提案されている（特許文献１）。

特開2011-518985号公報

しかしながら、船舶用のディーゼルエンジンのように排気量が比較的大きく、Ｃ重油やバンカー油のような低質油が使用されている場合には、ダストの発生量が多くなるので、フィルタの再生頻度が増加してしまう。また、上記特許文献１のようにフィルタにダスト等が堆積した時点でバーナーを作動させたとしても、フィルタにおけるダストの堆積量が多いため、ダストを十分かつ迅速に燃焼除去させることが困難である。
船舶用のディーゼルエンジン等では、フィルタの再生方法として、フィルタに対して排気ガスの流通方向と逆方向に圧縮空気等を噴射してフィルタ上からダストを除去するスートブローが行なわれているが、このスートブローについてもその頻度を低減させることが望まれる。

また、船舶用のディーゼルエンジンでは、高効率を図るために２ストロークエンジンが多く使用されている。２ストロークエンジンでは、排気ガス中に潤滑油が混入するとともに、排気温度が比較的低いため、特に起動時のように排気温度が低い場合では、排気ガス中の潤滑油がバインダとなってフィルタにダストが強固に付着する虞がある。したがって、上記のようにスートブローによってフィルタを再生しようとしてもフィルタからダストが除去し難いといった問題点がある。

本発明は、上記した従来の課題に着目してなされたもので、ディーゼルエンジンの排気ガス通路に設けられたフィルタや触媒等の排気ガス浄化手段におけるダストの堆積を抑制するディーゼルエンジンの排気ガス処理装置及び排気ガス処理方法を提供することにある。

本発明の請求項１に係る発明は、排気ガス通路に排気ガス中のダストまたは窒素酸化物を除去する排気ガス浄化手段を備えたディーゼルエンジンの排気ガス処理装置であって、前記排気ガス浄化手段の上流側の前記排気ガス通路に、当該排気ガス通路内を通過する排気ガスを加熱して前記排気ガス中のダストを燃焼させる燃焼手段を備え、前記燃焼手段は、前記ディーゼルエンジンの作動時に常時作動させることを特徴とする。

これにより、請求項１でのディーゼルエンジンの排気ガス処理装置では、排気ガス浄化手段に流入する前で、燃焼手段により排気ガス中のすす等からなるダストが燃焼される。燃焼手段は、エンジンの作動中に常時作動するので、エンジンの運転時に発生する排気ガス中のダストが常に燃焼除去され、排気ガス浄化手段へのダストの流入が抑制される。

本発明の請求項２に係る発明は、請求項１において、前記排気ガス浄化手段の下流側の前記排気ガス通路に、排気ガスの熱を回収する熱回収手段を備えたことを特徴とする。
これにより、請求項２でのディーゼルエンジンの排気ガス処理装置では、燃焼手段によって加熱された排気ガスの熱が、熱回収手段によって回収され、発電等の用途に有効活用することが可能となる。

本発明の請求項３に係る発明は、請求項１または２において、前記燃焼手段は、火炎を発生するバーナーであることを特徴とする。
これにより、請求項３でのディーゼルエンジンの排気ガス処理装置では、燃焼手段が火炎を発生するバーナーであるので、例えばディーゼルエンジンの燃料を利用して、簡易かつ安価に燃焼手段を構成して、排気ガスを加熱することが可能となる。また、ディーゼルエンジンが２ストロークエンジンである場合には、バーナーによって排気ガス中の潤滑油を燃焼させることができるので、潤滑油がバインダ成分になって排気ガス中のダストが排気ガス浄化手段に付着することが未然に防止され、排気ガス浄化手段の再生を容易にすることができる。

本発明の請求項４に係る発明は、請求項１〜３のいずれか１項において、前記排気ガス浄化手段の上流側の前記排気ガス通路にターボチャージャのタービンを備え、前記燃焼手段は、前記タービンと前記排気ガス浄化手段との間の前記排気ガス通路に配置されることを特徴とする。
これにより、請求項４でのディーゼルエンジンの排気ガス処理装置では、ターボチャージャによってエンジンの排気圧を効率よく利用することができるとともに、燃焼手段によって加熱された排気ガスの熱は熱回収手段によって効率よく回収される。

本発明の請求項５に係る発明は、排気ガス通路に排気ガス中のダストまたは窒素酸化物を除去する排気ガス浄化手段を備えたディーゼルエンジンの排気ガス処理方法であって、前記排気ガス浄化手段の上流側の前記排気ガス通路に、当該排気ガス通路内を通過する排気ガスを加熱して前記排気ガス中のダストを燃焼させる燃焼手段を備え、前記ディーゼルエンジンの作動時に前記燃焼手段を常時作動させて、排気ガス浄化手段に流入する前の排気ガス中のダストを燃焼させることを特徴とする。

これにより、請求項５でのディーゼルエンジンの排気ガス処理方法では、排気ガス浄化手段に流入する前で、燃焼手段により排気ガス中のダストが燃焼される。燃焼手段は、エンジンの作動中に常時作動するので、エンジンの運転時に発生する排気ガス中のダストは常に燃焼除去されて、排気ガス浄化手段へのダストの流入が抑制される。

本発明に係るディーゼルエンジンの排気ガス処理装置及び排気ガス処理方法では、エンジンの作動中に燃焼手段が常時作動して、エンジンの運転時に発生する排気ガス中のダストが常に燃焼除去されて、排気ガス浄化手段へのダストの流入が抑制される。したがって、排気ガス浄化手段におけるダストの堆積が抑制され、排気ガス浄化手段における排気浄化性能が維持されるとともに、排気ガス通路における圧損の増加を抑え、ディーゼルエンジンの出力及び燃費の低下を抑制することができる。また、排気ガス浄化手段からダストを除去する再生作業の頻度を抑制し、
メンテナンスの向上を図ることができる。

本発明の第１の実施形態に係るディーゼルエンジンの排気系の構成図である。 一実施形態の燃焼器の構造を示す断面図である。 本発明の第２の実施形態に係るディーゼルエンジンの排気系の構成図である。 他の実施形態の燃焼器の構造を示す断面図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は本発明の第１の実施形態に係るディーゼルエンジン１の排気系の概略構成図である。
本発明の一実施形態に係るディーゼルエンジン１は、船舶に搭載され、スクリューの駆動や発電をするための主機関であって、効率を向上させるために、大型かつ低回転で稼働させる２ストロークエンジンが採用されている。

本発明の第１の実施形態では、ディーゼルエンジン１の排気ガス通路２には、上流側から順番にターボチャージャのタービン３、燃焼器４（燃焼手段）、脱硝触媒５（排気ガス浄化手段）、エコノマイザ６（熱回収手段）が配設されている。また、燃焼器４とエコノマイザ６との間の排気通路２には、脱硝触媒５をバイパスするバイパス路７が設けられている。
このバイパス路７は、排気ガスの一部を脱硝触媒５を通過させずにエコノマイザ６に導入するものであって、脱硝触媒５による排気浄化性能を確保した上でエコノマイザ６による熱回収率の向上及び圧損の低下を図るように、流路断面積が設定されている。あるいは、バイパス路７と排気ガス通路２の分岐点にダンパ等を設けて排気流量を制御してもよい。

ターボチャージャは、排気圧及び排気熱を利用して駆動されるタービン３の回転駆動力によって図示しないコンプレッサあるいは発電機を駆動する。コンプレッサは、ディーゼルエンジン１の吸気通路に配設され、吸気を過給することで、ディーゼルエンジン１の出力及び燃費の向上を図ることが可能となっている。

脱硝触媒５は、排気ガス中の窒素酸化物を除去する機能を有する。脱硝触媒５は、例えば格子状の担体に酸化チタン等を担持して構成された触媒層を備えている。当該触媒層の上流には、還元剤が供給される。還元剤は、アンモニア、あるいはアンモニアを発生させるアンモニア水や尿素水が用いられる。そして、触媒層上で排気ガス中の窒素酸化物とアンモニアとを反応させ、窒素酸化物を無害の窒素に還元反応させる。
また、本実施形態では、脱硝触媒５には、触媒層の上流側ですす等のダストを捕集する図示しないフィルタが備えられているが、当該フィルタは必須ではなく備えていなくともよい。

エコノマイザ６は、排気ガス通路２にフィン等を備えた配管を設置して構成され、配管に熱媒体としての水もしくは蒸気を通過させることで、排気ガス通路２を通過する排気ガスと配管を通過する水とで熱交換させる機能を有する。エコノマイザ６において排気ガスと熱交換し加熱された水は、蒸気となり発電やその他船舶内で利用される。

燃焼器４は、排気ガスを加熱する機能を有する。
図２は、一実施形態の燃焼器４の構造を示す断面図である。
燃焼器４は、例えば図２に示すように、排気ガス通路２の一部をなす排気管１０にバーナー１１を備えて構成されている。

バーナー１１は、例えばディーゼルエンジン１の燃料を燃焼させ、排気管１０内で火炎ｆを発生させるように配置されている。よって、燃焼器４を作動させることで、即ちバーナー１１により排気管１０内で火炎ｆを発生させることで、排気管１０を通過する排気ガスを火炎ｆによって直接加熱し、排気ガス中のすす等からなるダストを燃焼させる。
そして、本実施形態では、燃焼器４におけるバーナー１１は、ディーゼルエンジン１の運転時に常時作動させられる。

以上のように、本実施形態では、脱硝触媒５の上流側の排気ガス通路２に燃焼器４を備えており、脱硝触媒５に流入する前の排気ガスを燃焼器４によって加熱することで、すす等のダストを燃焼除去することができる。更に、燃焼器４がディーゼルエンジン１の運転時に常時作動させられるので、ディーゼルエンジン１の運転時に発生するすす等のダストを常に燃焼除去することができ、脱硝触媒５にダストが流入することを抑制することができる。よって、脱硝触媒５におけるダストの堆積を抑制して、脱硝触媒５における窒素酸化物の還元除去性能を維持することができるとともに、排気ガス通路２における圧損の増加を抑え、ディーゼルエンジン１の出力及び燃費の低下を抑制することができる。

また、船舶用の大型のディーゼルエンジン１では、ダストの発生量が多いため、スートブローによって脱硝触媒５からダストを除去する場合がある。スートブローは、脱硝触媒５に対し、排気ガスの流通方向とは逆方向に圧縮空気等を通過させて、脱硝触媒５に堆積しているダストを除去し、脱硝触媒５を再生させるものである。また、排気ガスの流通方向の順方向に圧縮空気等を通過させる方法もある。このようにスートブローを行なうとしても、本実施形態のように燃焼器４を用いて脱硝触媒５へのダストの堆積を抑制することで、このスートブローによる脱硝触媒５の再生の頻度を低減することができる。

また、本実施形態では、燃焼器４によって排気ガスを加熱する構造であるので、排気温度が低くダストの発生量の多いディーゼルエンジン１の起動時においても、ダストの燃焼除去を十分に行なうことができる。
また、本実施形態のディーゼルエンジン１は、２ストロークエンジンであるため、排気ガス中に潤滑油が混入するが、燃焼器４のバーナー１１によってこの排気ガス中の潤滑油も燃焼させることができる。したがって、脱硝触媒５への潤滑油の流入を防ぐことができ、すす等と潤滑油が混合して粘度の高いダストとなって脱硝触媒５に付着することを未然に防止することができる。これにより、スートブロー等によって脱硝触媒５に堆積したダストを除去する場合にも、その作業を容易にすることができる。

更に、本実施形態では、脱硝触媒５の下流側にエコノマイザ６を備えており、排気ガスの熱エネルギーを回収して有効利用することができる。上記のように燃焼器４によって排気ガスが加熱させられることで排気温度が上昇するが、この昇温した排気ガスの熱エネルギーがエコノマイザ６によって回収されるので、当該回収された熱エネルギーを発電やその他船舶内の用途に利用することで、例え燃焼器４において燃料が消費されるとしても、船舶内の機関全体での燃費を向上させることができる。

図３は、本発明の第２の実施形態に係るディーゼルエンジン１の排気系の概略構成図である。なお、図３では、第３の実施形態に係るディーゼルエンジン１の排気系の概略構成図として、第２の実施形態と異なる部分を二点鎖線により示している。
本発明の第２の実施形態は、図３に示すように、上記第１の実施形態に対して、燃焼器４とターボチャージャのタービン３の位置が反対になっている点が異なる。即ち、ディーゼルエンジン１の排気ガス通路２には、上流側から順番に燃焼器４、ターボチャージャのタービン３、脱硝触媒５、エコノマイザ６が配設されている。

第２の実施形態では、タービン３が燃焼器４の下流にあるため、第１の実施形態よりもタービン３における排気圧が低下して、ターボチャージャによる過給効果が低下するものの、燃焼器４によって加熱された排気ガスの熱エネルギーを、タービン３によって回収することができる。

本発明の第３の実施形態は、図３中二点鎖線で示すように、上記第２の実施形態に対して、脱硝触媒５が燃焼器４とターボチャージャのタービン３との間に配置される点が異なる。即ち、ディーゼルエンジン１の排気ガス通路２には、上流側から順番に燃焼器４、脱硝触媒５、ターボチャージャのタービン３、エコノマイザ６が配設されている。

第３の実施形態では、タービン３が脱硝触媒５の下流にあるため、燃焼器４によって加熱され、脱硝触媒５を通過した後の排気ガスの熱エネルギーを、タービン３によって回収することができる。

上記第１〜第３の実施形態は、ターボチャージャのタービン３の位置が異なるものである。したがって、第１〜第３の実施形態においてターボチャージャの効果に差が発生し、これに伴いエコノマイザ６における熱回収量も異なるものとなる。上記第１〜第３の実施形態を比較すると、排気系の各種機器の容量等により異なるものの、一般的には、ターボチャージャのタービン３をディーゼルエンジン１に最も近く配設した第１の実施形態が、最もターボチャージャを有効に活用して、ディーゼルエンジン１自体の出力や燃費が良好となり、機関全体の燃費も良好となる。

本願発明は、上記第１〜第３の実施形態に限定するものではない。
例えば、燃焼器４は、排気ガスを加熱して排気ガス中のすす等のダストを燃焼させる機能を有していればよい。
図４は、他の実施形態の燃焼器２０の構造を示す断面図である。

図４に示す他の実施形態の燃焼器２０（燃焼手段）は、伝熱性の高い鋼板等で形成された筒体２１を、筒状の排気管２２内に同軸上に配置し、筒体２１内で火炎ｆが発生するようにバーナー１１が配置されて構成されている。排気ガスは、筒体２１の側方から排気管２２内に導入され、筒体２１の外周に沿って下流側に通過する。したがって、バーナー１１の火炎ｆによって筒体２１が加熱され高温となり、この高温となった筒体２１に排気ガスが接触して排気ガスが加熱される。なお、４００℃以上で排気ガス中のすすや潤滑油が燃焼するので、筒体２１の外周壁の温度が４００℃以上になるように、バーナー１１の能力等を設定すればよい。
本実施形態では、燃焼器２０は、上記燃焼器４のようにバーナー１１の火炎ｆに排気ガスを直接晒して加熱するものでなく、筒体２１を介して間接的に排気ガスを加熱するものであるが、上記燃焼器４と同様に、排気ガス中のすす等のダストを燃焼させることができる。

また、燃焼器４、２０は、ディーゼルエンジン１の燃料以外の燃料（例えば、灯油や軽油）を使用するものであってもよいし、バーナー１１を使用しなくとも、排気ガスを加熱して排気ガス中のすす等のダストを燃焼させる機能を有しているものであればよい。しかしながら、バーナー１１を使用してディーゼルエンジン１の燃料を利用することで、簡易かつ安価に燃焼器４、２０を構成することができる。

また、ターボチャージャやエコノマイザ６のないディーゼルエンジンにおいても、本発明を適用することができる。但し、燃焼器４、２０の下流側にエコノマイザ６が備えられていることが機関全体の効率の点から望ましい。

また、脱硝触媒５だけでなく、ディーゼルエンジンの排気ガス通路に設けられたその他の触媒やＤＰＦ（ディーゼルパティキュレートフィルタ）等のフィルタに対しても本願発明は有効である。上記実施形態では、脱硝触媒５が、排気ガス中の窒素酸化物を還元除去する触媒とフィルタを備えたものであり、本願発明によって、上流側に位置するフィルタのダストの堆積を抑制することができるが、例えば触媒の上流にＤＰＦを単体で備えたディーゼルエンジンにおいて、ＤＰＦの上流に燃焼器４、２０を備えることで、ＤＰＦへのダストの堆積を抑制し、ＤＰＦからのダストの除去作業あるいはＤＰＦの再生の頻度を低下させることができる。

また、排気ガス通路にＤＰＦ等のフィルタがない場合でも、触媒の上流側に燃焼器４、２０を備えることで、触媒へのダストの堆積を抑制し、触媒における排気浄化性能を維持させることができる。
また、４ストロークのディーゼルエンジンについても本発明を適用できるとともに、船舶以外のディーゼルエンジンについても本発明を広く適用することが可能である。

１ ディーゼルエンジン
２ 排気ガス通路
３ タービン
４ 燃焼器（燃焼手段）
５ 脱硝触媒（排気ガス浄化手段）
６ エコノマイザ（熱回収手段）
１１ バーナー
２０ 燃焼器（燃焼手段）

Claims (5)

1. 排気ガス通路に排気ガス中のダストまたは窒素酸化物を除去する排気ガス浄化手段を備えたディーゼルエンジンの排気ガス処理装置であって、
   前記排気ガス浄化手段の上流側の前記排気ガス通路に、当該排気ガス通路内を通過する排気ガスを加熱して前記排気ガス中のダストを燃焼させる燃焼手段を備え、
   前記燃焼手段は、前記ディーゼルエンジンの作動時に常時作動させることを特徴とするディーゼルエンジンの排気ガス処理装置。
2. 前記排気ガス浄化手段の下流側の前記排気ガス通路に、排気ガスの熱を回収する熱回収手段を備えたことを特徴とする請求項１に記載のディーゼルエンジンの排気ガス処理装置。
3. 前記燃焼手段は、火炎を発生するバーナーであることを特徴とする請求項１または２に記載のディーゼルエンジンの排気ガス処理装置。
4. 前記排気ガス浄化手段の上流側の前記排気ガス通路にターボチャージャのタービンを備え、
   前記燃焼手段は、前記タービンと前記排気ガス浄化手段との間の前記排気ガス通路に配置されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のディーゼルエンジンの排気ガス処理装置。
5. 排気ガス通路に排気ガス中のダストまたは窒素酸化物を除去する排気ガス浄化手段を備えたディーゼルエンジンの排気ガス処理方法であって、
   前記排気ガス浄化手段の上流側の前記排気ガス通路に、当該排気ガス通路内を通過する排気ガスを加熱して前記排気ガス中のダストを燃焼させる燃焼手段を備え、
   前記ディーゼルエンジンの作動時に前記燃焼手段を常時作動させて、排気ガス浄化手段に流入する前の排気ガス中のダストを燃焼させるディーゼルエンジンの排気ガス処理方法。

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