JP2024052583A - Large two-stroke uniflow scavenged turbocharged internal combustion engine configured to reduce ammonia slip and method for reducing ammonia slip in such an engine - Google Patents
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Abstract
Description
本明細書に開示される事項は、大型2ストローク内燃機関、特に大型2ストロークユニフロー掃気ターボ過給式内燃機関に関し、少なくとも1つの運転モードにおいて、機関内で燃焼させる主燃料としてアンモニア(NH3)を使用して運転される、大型2ストロークユニフロー掃気ターボ過給式内燃機関に関する。 The subject matter disclosed herein relates to large, two-stroke, uniflow scavenged, turbocharged internal combustion engines, and in particular to large, two-stroke, uniflow scavenged, turbocharged internal combustion engines, which in at least one operating mode are operated using ammonia ( NH3 ) as the primary fuel combusted within the engine.
大型2ストロークユニフロー掃気ターボ過給式内燃機関は、典型的には、大型船舶の推進システムや、発電プラントの原動機として用いられる。その大きさや重量、出力は、大型2ストロークターボ過給式圧縮着火内燃機関を他の燃焼機関からかけ離れたものとしており、このタイプの圧縮内燃機関を独特の分類に位置づけている。 Large two-stroke uniflow scavenged turbocharged internal combustion engines are typically used in the propulsion systems of large ships and as prime movers in power plants. Their size, weight, and power output set them apart from other combustion engines and place this type of compression ignition engine in a unique category.
内燃機関はこれまで、ディーゼル油のような燃料油や、天然ガス又は石油ガスのような燃料ガスといった、炭化水素燃料によって主に運転されてきた。炭化水素燃料の燃焼は、二酸化炭素(CO2)等の温室効果ガスの発生を伴うが、これらは大気汚染や気候変動の原因になり得る。副生成物の排出を生じる石油燃料の不純物と違って、CO2の発生は、炭化水素の燃焼に不可避である。特定の燃料のエネルギー密度やCO2排出量は、炭化水素鎖の長さと炭化水素分子の複雑さに依存する。このためガス状炭化水素燃料は、液体の炭化水素燃料よりもCO2排出量が少ない。しかし、ガス状炭化水素燃料は、取り扱いや貯蔵が難しく、コストもかかる。CO2排出量を削減するために、炭化水素以外の燃料の開発が進められている。 Internal combustion engines have been primarily powered by hydrocarbon fuels, such as fuel oils, such as diesel oil, and fuel gases, such as natural gas or petroleum gas. Combustion of hydrocarbon fuels involves the production of greenhouse gases, such as carbon dioxide (CO 2 ), which can contribute to air pollution and climate change. Unlike impurities in petroleum fuels that result in by-product emissions, the production of CO 2 is inevitable in the combustion of hydrocarbons. The energy density and CO 2 emissions of a particular fuel depend on the length of the hydrocarbon chain and the complexity of the hydrocarbon molecule. Thus, gaseous hydrocarbon fuels have lower CO 2 emissions than liquid hydrocarbon fuels. However, gaseous hydrocarbon fuels are difficult and expensive to handle and store. In order to reduce CO 2 emissions, non-hydrocarbon fuels are being developed.
アンモニア(NH3)は、石油やバイオマス、再生可能又は持続可能エネルギー源(風力、太陽光、水力、原子力、地熱)によって得られる合成物である。再生可能又は持続可能エネルギー源を用いて生成したNH3は、燃焼させたときのカーボン排出量は事実上ゼロであり、CO2やSOx、粒子状物質、未燃焼炭化水素を排出することはない。 Ammonia ( NH3 ) is a compound derived from petroleum, biomass, and renewable or sustainable energy sources (wind, solar, hydro, nuclear, geothermal). NH3 produced using renewable or sustainable energy sources has virtually zero carbon emissions when burned, and no CO2 , SOx, particulate matter, or unburned hydrocarbons.
NH3は、自動車などの小型内燃機関では小規模ながら試験・使用されているが、大型2ストローク内燃機関ではまだ使用されていない。 NH3 has been tested and used on a small scale in small internal combustion engines such as those in automobiles, but has not yet been used in large two-stroke internal combustion engines.
大型2ストローク内燃機関において、アンモニア(NH3)の燃焼により発生する燃焼ガスは、NOxとNH3の両方を含む可能性がある。NOxは、国際海事機関(IMO)二次規制(Tier II)及び三次規制(Tier III)などの国際規制によって制限されている。NH3については正式な規制はまだ存在しないが、現実的な許容レベルはかなり低い。排気ガス中に許容されるNH3スリップは、機関の排気系にNH3除去システム(後処理システム)がなければ達成することが困難である。対策なしでは、許容できない量のNH3を含む排気ガスが大気中に排出される可能性がある。 In large two-stroke internal combustion engines, the combustion gases generated by the combustion of ammonia ( NH3 ) may contain both NOx and NH3 . NOx is limited by international regulations such as the International Maritime Organization (IMO) Tier II and Tier III. There are no formal regulations yet for NH3 , but the practical allowable levels are much lower. Allowable NH3 slip in the exhaust gas is difficult to achieve without an NH3 removal system (aftertreatment system) in the engine exhaust system. Without measures, exhaust gases containing unacceptable amounts of NH3 may be emitted into the atmosphere.
排気ガスからNH3を除去する既知のシステムは、アンモニアスリップ触媒(ASC又はAMOX)を使用する。NOxは、選択触媒還元(SCR)触媒を用いて低減される。排気ガス中のNH3スリップは、アンモニアスリップ触媒(ASC)を用いて制御される。ASC触媒はSCR触媒の下流に配置される。SCR触媒においては、NOxとNH3が反応してNOxを除去している。何らかの理由でSCR触媒の後にNH3が存在する場合、これは、NH3を除去するASCで酸化される。ASCは、SCRと同様にガス全量を処理する。このため、ASCを大型の2ストローク内燃機関に搭載する場合、排気ガスの全量を処理する必要があるため、ASCのサイズはSCR触媒と同様となる。SCR触媒は非常に体積の大きい装置である。体積が著しくかさばる装置をもう一つ追加することは問題である。もう一つの欠点は、亜酸化窒素(N2O)がASCでのNH3酸化の副生成物となりうることである。亜酸化窒素の除去システムは知られているが、効果を発揮するには400℃を超える温度が必要である。これは、高効率の船舶用機関では容易に達成できない排ガス温度である。 Known systems for removing NH3 from exhaust gas use an ammonia slip catalyst (ASC or AMOX). NOx is reduced using a selective catalytic reduction (SCR) catalyst. NH3 slip in the exhaust gas is controlled using an ammonia slip catalyst (ASC). The ASC catalyst is placed downstream of the SCR catalyst. In the SCR catalyst, NOx and NH3 react to remove NOx. If for some reason NH3 is present after the SCR catalyst, it is oxidized in the ASC, which removes NH3 . The ASC processes the entire amount of gas, similar to the SCR. Therefore, when the ASC is installed in a large two-stroke internal combustion engine, the size of the ASC is similar to the SCR catalyst, since the entire amount of exhaust gas needs to be processed. The SCR catalyst is a very voluminous device. Adding another device with a significant volume is problematic. Another drawback is that nitrous oxide (N2O) can be a by-product of NH3 oxidation in the ASC. Nitrous oxide abatement systems are known but require temperatures in excess of 400° C. to be effective, an exhaust gas temperature not easily achievable in highly efficient marine engines.
別の既知の技術として、ウェットスクラバーを使って排ガスからNH3を除去する方法がある。しかしこれは非常に大きく、嵩張るコンポーネントを導入することになる。また、船上での排水は簡単には捨てることができない。 Another known technology is to use wet scrubbers to remove NH3 from the exhaust gases, but this introduces very large and bulky components, and the wastewater on board cannot be easily disposed of.
DK202170273は、請求項1の前文に従った大型2ストローク内燃機関を開示している。
DK202170273 discloses a large two-stroke internal combustion engine according to the preamble of
目的の1つは、上述の問題を解決するか又は少なくとも緩和する、大型2ストローク内燃機関を提供することである。別の目的は、大型2ストローク内燃機関からのアンモニアスリップを低減する方法を提供することである。 One object is to provide a large two-stroke internal combustion engine that solves or at least mitigates the above-mentioned problems. Another object is to provide a method for reducing ammonia slip from a large two-stroke internal combustion engine.
上述の課題やその他の課題が、独立請求項に記載の特徴により解決される。より具体的な実装形態は、従属請求項や明細書、図面から明らかになるだろう。 The above and other problems are solved by the features of the independent claims. More specific implementations will become apparent from the dependent claims, the description and the drawings.
第1の捉え方によれば、主燃料がアンモニアである運転モードを少なくとも1つ有する大型2ストロークユニフロー掃気ターボ過給式内燃機関が提供される。この機関は、
・ シリンダライナ及び前記シリンダライナ内の往復ピストンを有する少なくとも1つのシリンダと、前記シリンダを覆うシリンダカバーと;
・ 前記シリンダ内において、前記往復ピストンと前記シリンダカバーとの間に形成される燃焼室と;
・ 前記燃焼室に掃気を供給する吸気系と;
・ 前記燃焼室におけるアンモニアの燃焼により生じた排気流を排出する排気系と;
・ 掃気を圧縮するための少なくとも1つのコンプレッサであって前記吸気系に存在するコンプレッサと、前記コンプレッサを駆動するための少なくとも1つの排気駆動タービンであって前記排気系に存在する排気駆動タービンとを有するターボ過給システムと;
・ 好ましくは前記排気駆動タービンの上流において前記排気系に配されるSCR触媒と;
・ 前記SCR触媒内又はその上流で前記排気流にNOx含有ガス流を加える手段と;
を備える。
According to a first aspect, there is provided a large two-stroke uniflow scavenged turbocharged internal combustion engine having at least one operating mode in which the primary fuel is ammonia, the engine comprising:
at least one cylinder having a cylinder liner and a reciprocating piston within said cylinder liner, and a cylinder cover covering said cylinder;
a combustion chamber defined within the cylinder between the reciprocating piston and the cylinder cover;
an intake system for supplying scavenging air to the combustion chamber;
an exhaust system for exhausting an exhaust stream produced by the combustion of ammonia in said combustion chamber;
a turbocharging system having at least one compressor for compressing scavenging air, the compressor being present in the intake system, and at least one exhaust driven turbine for driving the compressor, the exhaust driven turbine being present in the exhaust system;
an SCR catalyst disposed in the exhaust system, preferably upstream of the exhaust driven turbine;
- means for adding a NOx-containing gas stream to the exhaust stream within or upstream of the SCR catalyst;
Equipped with.
本発明者は、アンモニアがSCR触媒中で確実に還元されれば、アンモニアスリップを回避できることに気付いた。しかし、SCR触媒中にNOxが十分に存在しない場合、すなわちアンモニアとNOxのモル比が1を超える場合、アンモニアは還元されない。燃焼室から排出される排気中のアンモニアとNOxの比率は、常に(正確に)制御することも(正確に)予測することもできない。NOx含有ガス流を排気ガスに供給することで、アンモニアの完全な還元に必要な量のNOxが常にSCR触媒に存在し、排気ガス中に存在するアンモニアの全部又は少なくともほぼ全部がSCR触媒で還元されるようにすることができる。所望の結果を得るためには、比較的少量のガス状NOx流のみが必要である。 The inventors have realized that ammonia slip can be avoided if ammonia is reliably reduced in the SCR catalyst. However, if there is not enough NOx present in the SCR catalyst, i.e. if the molar ratio of ammonia to NOx is greater than 1, ammonia will not be reduced. The ratio of ammonia to NOx in the exhaust gas leaving the combustion chamber cannot always be (precisely) controlled or (precisely) predicted. By supplying a NOx-containing gas stream to the exhaust gas, it can be ensured that the amount of NOx required for complete reduction of ammonia is always present at the SCR catalyst and that all or at least almost all of the ammonia present in the exhaust gas is reduced at the SCR catalyst. Only a relatively small gaseous NOx stream is required to obtain the desired result.
前記第1の捉え方の実装形態の一例において、前記NOx含有ガス流は、アンモニアと空気の流れを酸化触媒で処理してアンモニアをNOに変換することにより生成される。このプロセスにはいくらかの熱を加える必要があるが、その量は先に述べた既存の解決策と比較すると小さく、酸化触媒の大きさも既知のアンモニアスリップ触媒装置と比較すると小さい。従って、第1の捉え方に従う機関は、体積が小さくなり、製造及び維持にかかる費用も少なくて済む。 In one implementation of the first approach, the NOx-containing gas stream is produced by treating a stream of ammonia and air with an oxidation catalyst to convert the ammonia to NO. The process requires the addition of some heat, but the amount is small compared to the existing solutions discussed above, and the size of the oxidation catalyst is small compared to known ammonia slip catalyst devices. Thus, an engine according to the first approach is smaller in volume and less expensive to manufacture and maintain.
前記第1の捉え方の実装形態の一例において、前記排気流に加えられる前記NOx含有ガス流の大きさを制御するように構成されるコントローラを備える、請求項1に記載の機関。
In one implementation of the first approach, the engine of
前記第1の捉え方の実装形態の一例において、前記排気流中のアンモニアとNOxとの間のモル比を測定及び/又は推定する手段を備える。 In one implementation of the first approach, a means is provided for measuring and/or estimating the molar ratio between ammonia and NOx in the exhaust stream.
前記第1の捉え方の実装形態の一例において、前記コントローラが、測定及び/又は推定した前記モル比の関数として、前記NOx含有ガス流の大きさを調整するように構成される。 In one example implementation of the first approach, the controller is configured to adjust the size of the NOx-containing gas flow as a function of the measured and/or estimated molar ratio.
前記第1の捉え方の実装形態の一例において、コントローラ60は、SCR触媒40に流入する排気ガス流の流量が、アンモニアとNOxとの間のモル比が1未満、好ましくは1をわずかに下回るように、NOx流の流量を調整するように構成される。
In one implementation of the first approach, the
前記第1の捉え方の実装形態の一例において、前記NOx含有ガス流はNOとNO2とを含むNOxを含み、前記機関は、前記NOx含有ガス流中のNOとNO2との間の比率を調整する手段を備える。 In one example of an implementation of the first approach, the NOx-containing gas stream contains NOx, including NO and NO2 , and the engine is provided with a means for adjusting the ratio between NO and NO2 in the NOx-containing gas stream.
前記第1の捉え方の実装形態の一例において、前記コントローラは、前記排気中のアンモニアとNOxのモル比を決定するための1つ又は複数の信号を提供するセンサシステムを有する。 In one implementation of the first approach, the controller has a sensor system that provides one or more signals for determining the molar ratio of ammonia to NOx in the exhaust.
前記第1の捉え方の実装形態の一例において、前記NOx含有ガス流を生成するためのNOx生成システムを備え、前記NOx生成システムは、好ましくはNH3流を供給するための供給源を有し、 In one implementation of the first aspect, the present invention includes a NOx production system for producing the NOx-containing gas stream, the NOx production system preferably having a source for providing an NH3 stream;
前記NOx含有ガス流を得るために、前記供給源からのアンモニアは、好ましくは触媒的に酸化されてNO及びH2Oになる。 To obtain the NOx-containing gas stream, ammonia from the source is preferably catalytically oxidized to NO and H2O .
前記第1の捉え方の実装形態の一例において、前記機関は酸化触媒を備え、前記酸化触媒は好ましくは白金-ロジウム触媒であり、前記機関は、好ましくは更に、前記酸化触媒への加圧アンモニアガスの供給源と、前記酸化触媒への加圧空気の供給源とを備え、前記加圧空気の供給源は、好ましくは前記吸気系からの掃気である。 In one implementation of the first approach, the engine includes an oxidation catalyst, which is preferably a platinum-rhodium catalyst, and the engine preferably further includes a source of pressurized ammonia gas to the oxidation catalyst and a source of pressurized air to the oxidation catalyst, which source of pressurized air is preferably scavenging air from the intake system.
前記第1の捉え方の実装形態の一例において、前記NOx生成システムは、NOxを含むガス中のNOとNO2との間の比率を制御するように構成される。 In one example implementation of the first approach, the NOx production system is configured to control the ratio between NO and NO2 in a gas containing NOx.
前記第1の捉え方の実装形態の一例において、前記コントローラが、NOxを含むガス中のNOとNO2との間の最適な比率を決定し、それに応じてNOxを含むガス中のNOとNO2との間の比率を調整するように構成される。 In one example implementation of the first approach, the controller is configured to determine an optimal ratio between NO and NO2 in the gas containing NOx and adjust the ratio between NO and NO2 in the gas containing NOx accordingly.
前記第1の捉え方の実装形態の一例において、前記NOx生成システムの下流に、該NOx生成システム内の副反応の結果として生成され得るN2Oを除去するための触媒N2O除去システム、好ましくは鉄ゼオライト触媒を備える。 In one implementation of the first approach, downstream of the NOx generating system is a catalytic N2O removal system, preferably an iron zeolite catalyst, for removing N2O that may be generated as a result of side reactions within the NOx generating system.
前記第1の捉え方の実装形態の一例において、NOx含有ガスを貯蔵するための、好ましくは高圧下で前記NOx含有ガスを貯蔵するための容器を備え、前記容器は、好ましくは、制御弁を介して前記排気系に接続され、それにより、前記容器から前記排気流への前記NOx含有ガスの制御された流れを可能にする。 In one implementation of the first approach, the system includes a container for storing NOx-containing gas, preferably under high pressure, the container preferably being connected to the exhaust system via a control valve, thereby allowing controlled flow of the NOx-containing gas from the container into the exhaust stream.
前記第1の捉え方の実装形態の一例において、前記排気系内の排気流のNOx濃度を表す信号を供給するように構成される少なくとも1つのNOxセンサと、前記排気系内の排気流のアンモニア濃度を表す信号を供給するように構成される少なくとも1つのアンモニアセンサとを備える。 In one example of an implementation of the first approach, the exhaust system includes at least one NOx sensor configured to provide a signal representative of the NOx concentration in the exhaust flow in the exhaust system, and at least one ammonia sensor configured to provide a signal representative of the ammonia concentration in the exhaust flow in the exhaust system.
前記第1の捉え方の実装形態の一例において、前記少なくとも1つのNOxセンサは、前記NOx含有ガス流が加えられる位置の上流における、前記排気系内の排気流のNOx濃度を表す信号を提供するように構成され、及び/又は、 In one implementation of the first approach, the at least one NOx sensor is configured to provide a signal representative of the NOx concentration in the exhaust stream in the exhaust system upstream of the location where the NOx-containing gas stream is added, and/or
前記少なくとも1つのNOxセンサは、前記NOx含有ガス流が加えられる位置の下流であって前記SCR触媒の上流における、前記排気系内の排気流のNOx濃度を表す信号を供給するように構成され、及び/又は、 The at least one NOx sensor is configured to provide a signal representative of the NOx concentration in the exhaust stream in the exhaust system downstream of the location where the NOx-containing gas stream is added and upstream of the SCR catalyst; and/or
前記少なくとも1つのNOxセンサは、前記SCR触媒の下流における、前記排気系内の排気流のNOx濃度を表す信号を提供するように構成され、及び/又は、 The at least one NOx sensor is configured to provide a signal representative of the NOx concentration in the exhaust stream in the exhaust system downstream of the SCR catalyst, and/or
前記少なくとも1つのアンモニアセンサは、前記NOx含有ガス流が加えられる位置の上流における、前記排気系内の排気流のアンモニア濃度を表す信号を提供するように構成され、及び/又は、 The at least one ammonia sensor is configured to provide a signal representative of an ammonia concentration in the exhaust stream in the exhaust system upstream of the location where the NOx-containing gas stream is added, and/or
前記少なくとも1つのアンモニアセンサは、前記NOx含有ガス流が加えられる位置の下流であって前記SCR触媒の上流における、前記排気系内の排気ガスのアンモニア濃度を表す信号を提供するように構成され、及び/又は、 The at least one ammonia sensor is configured to provide a signal representative of the ammonia concentration of the exhaust gas in the exhaust system downstream of the location where the NOx-containing gas stream is added and upstream of the SCR catalyst; and/or
前記少なくとも1つのアンモニアセンサは、前記SCR触媒の下流における、前記排気系内の排気流のアンモニア濃度を表す信号を提供するように構成される。 The at least one ammonia sensor is configured to provide a signal representative of the ammonia concentration in the exhaust stream in the exhaust system downstream of the SCR catalyst.
前記第1の捉え方の実装形態の一例において、前記燃焼室にアンモニアを噴射又は導入するように構成される燃料弁に加圧されたアンモニアを供給するように構成されるアンモニア燃料システムを備える。 In one implementation of the first approach, an ammonia fuel system is provided that is configured to supply pressurized ammonia to a fuel valve that is configured to inject or introduce ammonia into the combustion chamber.
第2の捉え方によれば、大型2ストロークユニフロー掃気ターボ過給式内燃機関からのアンモニアスリップを低減する方法が提供される。この方法は、
a)アンモニアを主燃料として機関を運転し、それによってNOx及びNH3を含む排気ガス流を生成することと、
b)制御されたNOx流を前記排気ガスに添加することにより、前記排気ガスの流れの中のアンモニアとNOxとの間の比率を調整することと、
c)その後、前記排気ガスの流れをSCRに送ることと、
を含む。
According to a second aspect, there is provided a method for reducing ammonia slip from a large two-stroke uniflow scavenged turbocharged internal combustion engine, the method comprising:
a) operating an engine with ammonia as a primary fuel, thereby producing an exhaust gas stream comprising NOx and NH3 ;
b) adjusting the ratio between ammonia and NOx in said exhaust gas stream by adding a controlled NOx flow to said exhaust gas;
c) thereafter directing said exhaust gas stream to an SCR;
including.
前記第2の捉え方の実装形態の一例において、前記方法は、制御されたNOx流を排気ガスに加える前に、排気ガス中のアンモニアとNOxとの間のモル比を決定することと、決定したモル比が1以上の場合に、(好ましくは1以上の場合のみ、)制御されたNOx流を排気ガス流に加えることとを含む。 In one example implementation of the second approach, the method includes determining a molar ratio between ammonia and NOx in the exhaust gas prior to adding the controlled NOx flow to the exhaust gas, and adding the controlled NOx flow to the exhaust gas flow if (and preferably only if) the determined molar ratio is greater than or equal to 1.
前記第2の捉え方の実装形態の一例において、前記方法は、前記決定したモル比を1未満のレベル、好ましくは1より僅かに低いレベルまで低下させるのに必要なNOx流の大きさを決定することと、NOx含有ガス流の大きさを前記決定した大きさに調整することとを含む。 In one implementation of the second approach, the method includes determining the magnitude of the NOx flow required to reduce the determined molar ratio to a level less than 1, preferably slightly less than 1, and adjusting the magnitude of the NOx-containing gas flow to the determined magnitude.
前記第2の捉え方の実装形態の一例において、前記方法は、前記NOx含有ガス流中のNOとNO2との間の所望の比率を決定することと、前記NOx含有ガス流中のNOとNO2との間の比率を調整することとを含む。 In one example implementation of the second approach, the method includes determining a desired ratio between NO and NO2 in the NOx-containing gas stream and adjusting the ratio between NO and NO2 in the NOx-containing gas stream.
前記第2の捉え方の実装形態の一例において、前記方法は、加圧されたアンモニアガス流と加圧された空気流とを酸化触媒の入口に供給して、酸化触媒の出口から出るNOx含有ガス流を生成することを含み、 In one implementation of the second approach, the method includes supplying a pressurized ammonia gas flow and a pressurized air flow to an inlet of an oxidation catalyst to generate a NOx-containing gas flow exiting an outlet of the oxidation catalyst;
前記加圧された空気流は、好ましくは吸気系から発し、好ましくはコンプレッサの下流の位置で前記吸気系から発し、好ましくはインタークーラーの上流の位置から発する、請求項17に記載の方法。
The method of
これらの捉え方及び他の捉え方は、添付図面及び以下に説明される実施例 により更に明らかになるであろう。 These and other aspects will become more apparent from the accompanying drawings and the embodiments described below.
以下、図面に示される例示的な実施形態を参照しつつ、様々な捉え方や実施形態、実装例を詳細に説明する。
以下の詳細説明では、実施例のクロスヘッド式大型低速2ストロークユニフロー掃気ターボ過給式内燃機関を参照して、内燃機関が説明される。なお場合によっては、内燃機関は別のタイプの機関で有り得ることに注意されたい。大型2ストローク低速ユニフロー掃気ターボ過給式内燃機関は、ピストンの上死点(TDC又はその近辺で燃料が噴射される、圧縮着火型の(すなわち高圧型の)機関であることができる。又は、掃気空気が圧縮される前又は圧縮される途中で燃料と混合されて混合気が点火等される、火花点火型の、(また低圧型の、また予混合式の、)エンジンであることができる。予混合式機関の場合は通常、確実に点火を行うために、添加液(例えば燃料油)によるパイロット点火が行われる。 In the detailed description below, the internal combustion engine will be described with reference to an example embodiment of a crosshead type large slow speed two stroke uniflow scavenged turbocharged internal combustion engine. Note that in some cases the internal combustion engine may be of another type. A large two stroke slow speed uniflow scavenged turbocharged internal combustion engine may be a compression ignition (i.e. high pressure) engine, in which fuel is injected at or near the top dead center (TDC) of the piston, or it may be a spark ignition (also low pressure or premixed) engine, in which the scavenging air is mixed with fuel before or during compression and the mixture is ignited or otherwise. In the case of a premixed engine, a pilot ignition with an additive liquid (e.g. fuel oil) is usually provided to ensure ignition.
図1-図3は、ターボ過給式大型低速2ストロークディーゼル機関を示す。このエンジンは、クランクシャフト8及びクロスヘッド9を有し、ディーゼル原理で動作する。すなわち圧縮着火機関である。図3は、ターボ過給式大型低速2ストロークディーゼル機関を、その吸気システム及び排気システムと共に略図により表現したものである。この実施例において、機関は直列に6本のシリンダを有する。ターボ過給式大型低速2ストロークディーゼル機関は通常、直列に配される4から14のシリンダを有する。これらのシリンダはシリンダフレーム23に担持される。シリンダフレーム23は機関フレーム11に担持される。またこのような機関は、例えば、船舶の主機関や、発電所において発電機を動かすための据え付け型の機関として用いられることができる。機関の全出力は、例えば、1000kWから110000kWでありうる。
Figures 1-3 show a turbocharged large slow-speed two-stroke diesel engine. The engine has a crankshaft 8 and a crosshead 9 and operates on the diesel principle, i.e. it is a compression ignition engine. Figure 3 shows a schematic representation of a turbocharged large slow-speed two-stroke diesel engine together with its intake and exhaust systems. In this embodiment the engine has six cylinders in series. A turbocharged large slow-speed two-stroke diesel engine usually has 4 to 14 cylinders arranged in series. The cylinders are carried on a
この機関は二元燃料機関として構成されることができる。この機関は、圧縮着火機関であってもよく、予混合式機関であってもよい。この実施例におけるエンジンは、2ストロークユニフロー型エンジンであり、各シリンダについて、シリンダライナ1の下部領域に掃気ポート18が設けられ、シリンダライナ1の頂部中央には排気弁4が配される。この機関は少なくとも1つのアンモニアモード及び少なくとも1つの従来燃料モードを有する。アンモニアモードにおいて、機関はアンモニア燃料又はアンモニアベースの燃料で運転される。従来燃料モードにおいては従来の燃料、例えば燃料油(船舶用ディーゼル燃料)や重油で運転される。
The engine can be configured as a dual fuel engine. The engine can be a compression ignition engine or a premixed engine. In this embodiment, the engine is a two-stroke uniflow type engine, with each cylinder having a scavenging
掃気空気は、掃気受け2を通じて、各シリンダ1の掃気ポート18へと導かれる。ピストン10は、シリンダライナ1中で下死点(BDC)と上死点(TDC)の間を往復し、掃気空気を圧縮する。燃料(アンモニアモードにおいてはアンモニア)は、TDC又はTDCの近傍において、シリンダカバー22に配される複数の燃料弁50を通じて、シリンダライナ1内の燃焼室内に高圧で噴射される(ディーゼル原理)。機関が予混合式機関として構成されている場合、燃料は、ピストンがTDCに向かう途中に、燃料導入弁50'から比較的低圧で導入される(オットー原理)。典型的には、各シリンダにつき2つ又はそれより多い燃料導入弁50'が設けられる。燃料導入弁50'は掃気ポート18の上方においてシリンダライナに設けられるか、シリンダカバー22に設けられることができる。燃料の噴射に続いて燃焼が生じ、排気が生成される。機関が圧縮着火機関として構成されている場合、各シリンダカバー22には2つ以上の燃料弁50が設けられる。燃料弁50は、特定の1つのタイプの燃料(例えばアンモニア)のみを噴射するように構成されてもよい。その場合、燃焼室内に従来燃料を噴射するための2つ以上の燃料弁も設けられるだろう(図3には図示されていない)。燃料弁50は、シリンダカバー22において、シリンダカバー22の中央部に配される排気弁4の周囲に配される。図示されていないが、実施例によっては、アンモニア燃料を確実に点火するために点火液を噴射するように構成される、追加の(通常は小さな)燃料弁がシリンダカバーに配されてもよい。点火液は、例えばジメチルエーテル(DME)又は燃料油であってもよい。しかし、例えば水素のような、他の形態の点火促進剤であってもよい。機関は二元エンジンであってもよいので、機関は、燃料弁50に従来燃料を供給するための従来燃料供給システムを備えていてもよい(図示されていない)。実施例によっては、シリンダライナに沿って燃料弁50'が配される(破線で示されている)。燃料弁50'は、ピストン10がBDCからTDCに向かう途中であって燃料弁50'を通過する前に、シリンダ内に燃料を導入する。従って、機関が予混合式に構成されている場合、ピストン10は掃気空気と燃料の混合物を圧縮する。TDC又はその近辺でタイミングをはかって点火が行われる。点火は、火花、レーザー、点火液の噴射等によって行われる。燃料弁50'を有する実施例では、燃料が導入される時点での圧力は、シリンダカバー22に燃料弁50を有する実施例において燃料が噴射される時点での圧力よりもかなり低い。シリンダカバー22に配される燃料弁50は、ピストンがTDC又はその付近にあるときに燃料を噴射するので、燃料噴射圧力は、圧縮圧力よりもかなり高くなくてはならない。このように、実施形態によっては、機関はディーゼル原理(圧縮着火)に従って動作し、掃気空気(排気再循環を具備する場合は掃気ガス)のみを圧縮する。他の実施形態では、機関はオットーサイクル(所定のタイミングで点火する)に従って動作し、燃料と掃気ガスの混合物を圧縮する。オットー原理に従って動作するとき、燃料供給システム30が燃料を供給するために必要な圧力は、圧縮着火の場合に比べて著しく低くすることができ、圧縮着火機関用の燃料弁50でしばしば使用される圧力ブースターを用いる必要は回避され得る。
The scavenging air is directed through the scavenging
排気弁4が開くと、排気は、シリンダ1に設けられる排気ダクトを通って排気受け3へと流れ、さらに選択触媒還元(SCR)触媒40を通って第1の排気管19を通り、ターボ過給器5のタービン6へと進む。そこから排気は、第2の排気管28を通って大気中へと放出される。
When the exhaust valve 4 opens, the exhaust flows through an exhaust duct in the
ターボ過給機5のタービン6は、シャフトを介してコンプレッサ7を駆動する。コンプレッサ9には、空気取り入れ口12を通じて外気が供給される。コンプレッサ7は、圧縮された掃気空気を、掃気受け2に繋がる掃気管13へと送り込む。掃気管13の掃気は、掃気を冷却するためのインタークーラー14を通過する。
The turbine 6 of the
冷却された掃気は、電気モーター17により駆動される補助ブロワ16を通る。補助ブロワ16は、ターボ過給機5のコンプレッサ7が掃気受け2のために十分な圧力を提供できない場合、すなわち機関が低負荷又は部分負荷である場合に、掃気流を圧縮する。機関の負荷が高い場合は、ターボ過給機のコンプレッサ7が、十分に圧縮された掃気を供給することができるので、補助ブロワ16は逆止め弁15によってバイパスされ、電気モーター17は停止される。ターボ過給システムは2つ以上のターボ過給機5を有してもよい。
The cooled scavenging air passes through an
アンモニアモードにおいて、機関はアンモニアを主燃料として運転される。アンモニアは、アンモニア燃料システム30によって、ほぼ一定の圧力及び温度で燃料弁50又は50'に供給される。アンモニアはアンモニア弁50に、液相又は気相で供給されうる。液相アンモニアは、アンモニア水(aqueous ammonia)、すなわちアンモニア水溶液であってもよい。
In ammonia mode, the engine is operated with ammonia as the primary fuel. Ammonia is supplied to the
従来の燃料システムについてはよく知られているので、図示されておらず、また詳細な説明もなされない。アンモニア燃料システム30は、液相のアンモニアを中間的な供給圧力で(例えば30~80bar)で、燃料弁50又は燃料導入弁50'に供給する。代替例では、アンモニア燃料は、気相で、比較的低い供給圧力(例えば8~30bar)で、アンモニア弁50に供給される。圧縮着火型機関の場合、燃料弁50は、アンモニア燃料の圧力を著しく上昇させる圧力ブースターを備える。圧力ブースターは、アンモニア燃料の圧力を中間的な圧力から高圧へと上昇させ、それによって、機関の圧縮圧力よりも高い圧力でアンモニア燃料が噴射されることを可能にする。通常、圧縮着火型機関の噴射圧力は300barより高い。
Conventional fuel systems are well known and are not shown or described in detail. The
実施形態によっては、機関は、排ガスの一部を掃気ガスと共に燃焼室に再導入するための排ガス再循環システムを備える。これは例えばNOxの発生を低減するためである。 In some embodiments, the engine includes an exhaust gas recirculation system for reintroducing a portion of the exhaust gas into the combustion chamber together with the scavenging gas, for example to reduce NOx emissions.
アンモニア燃料システム30において、アンモニアは、圧力式貯蔵タンクに液相で約17barで貯蔵される。アンモニアは、外気温20℃において8.6bar以上であればアンモニア貯蔵タンクに液相で貯蔵することができる。しかし、外気温が上昇しても液相を保たせるためには、17bar以上でアンモニアを貯蔵することが好ましい。
In the
低圧アンモニア供給ライン32が、(図示されていない)アンモニア貯蔵タンクの出口と(図示されていない)中圧供給ポンプの入口を繋いでいる。低圧供給ポンプは、アンモニア貯蔵タンクからの液相アンモニアが中圧供給ポンプ35の入口に達するように圧力をかける。中圧供給ポンプは、(図示されていない)中圧アンモニア供給ラインから燃料弁50,50'へと液相アンモニアを圧送する。
A low pressure ammonia supply line 32 connects the outlet of the ammonia storage tank (not shown) to the inlet of a medium pressure supply pump (not shown). The low pressure supply pump pressurizes liquid phase ammonia from the ammonia storage tank to the inlet of the medium pressure supply pump 35. The medium pressure supply pump pumps liquid phase ammonia from the medium pressure ammonia supply line (not shown) to the
電子制御ユニット(コントローラ)60は、信号線を介して、又は無線で、機関の様々なコンポーネントやセンサに接続されている。 The electronic control unit (controller) 60 is connected to various components and sensors of the engine via signal lines or wirelessly.
NH3燃焼では、機関からの排気ガスにNOxとNH3の両方が含まれる可能性がある。化石燃料の燃焼による排気ガスにNH3が含まれないこととは対称的である。あ排気ガス中のこれら2つの物質の比率は、常に正確に制御又は予測することはできない。しかし、SCR触媒40は、NOx除去触媒としてだけでなくNH3除去触媒としても機能する。NH3とNOxは1対1で反応するため、排ガス中のNH3とNOxのモル比は、除去できるNOxとNH3の量を決定する。以下では、排ガス中のNH3とNOxのモル比をαと称する。αが1未満はNOxが過剰であることを示す。この場合、全てのNH3はNOxと反応することができ、その結果、SCR触媒40の出口から排出されるNH3は実質的にゼロとなる。排ガス中に若干のNOxが含まれることは、IMO三次規制でも許容されている。αが1より大きいことはNH3が過剰であることを示す。この場合は全てのNOxがNH3と反応し、過剰のNH3がNH3スリップとしてSCR触媒から排出される。排ガス中に許容されるNH3スリップは低い。制限の一例としては、例えば10ppmである。このため、αは1未満に保つことが望ましい。
In NH3 combustion, the exhaust gas from the engine may contain both NOx and NH3 . This is in contrast to the exhaust gas from fossil fuel combustion, which does not contain NH3 . The ratio of these two substances in the exhaust gas cannot always be precisely controlled or predicted. However, the
SCR触媒40は、排気ガスからNOx成分であるNOとNO2の両方を除去する役割を果たす。実施形態によっては、SCR触媒40はバナジウムベースである。紹介する実施形態では、SCR触媒40はタービン6の高圧側に配置されているが、実施形態によってはタービン6の低圧側に配置することも可能である。しかし、タービンの低圧側に配置する場合、SCR触媒40の体積が増加する可能性がある。本実施形態では、SCR触媒40の入口は排気受け3の出口に接続されている。
The
コントローラ60は、排気受け3から流入するガス流又は排気受け3内のガス流の、NOxとNH3の濃度を測定又は計算する。この濃度に基づき、所望のα値を得るために(SCR触媒40に流入する排ガス流に)加えられるNOxの必要量(流量)が計算される。実施形態によっては、この追加のNOx流は、例えばアンモニア燃料システム30から届けられる副流であってNH3を含む副流から生成される。このNH3は、酸化触媒43内で、高温(好ましくは500℃以上)で触媒酸化される。このために酸化触媒43には空気流が供給され、NOとH2O(水)が得られる。加圧空気流の供給源は、好ましくは、吸気系から取り出され、制御弁27によって制御される掃気である。これは、特に、この掃気がインタークーラー14の上流(及びコンプレッサ7の下流)で吸気系から取り出される場合、高温加圧空気を得るための効率的な手法であるからである。この副流は、図3の実施形態のようにNH3を別個に供給することもできるし、全排気から取り出すこともできる。いずれの場合も、副流の大きさは、例えば制御弁42によって制御される。制御弁42は、上述の計算に従ってコントローラ60によって調整される。NH3酸化用の触媒は、硝酸(HNO3)の製造に使用されるものと同じタイプのものであることができる。この場合、NH3は酸化触媒43の白金-ロジウム触媒ガーゼで触媒酸化され、以下の反応が生じる。
4NH3 + 5O2 -> 4NO + 6H2O
The
4NH3 + 5O2 -> 4NO + 6H2O
NOと水のほかに、以下の酸化反応によって不要な亜酸化窒素(N2O)も生成される。
4NH3 + 4O2 -> 2N2O + 6H2O
In addition to NO and water, unwanted nitrous oxide (NO) is also produced via the oxidation reaction:
4NH3 + 4O2 -> 2N2O + 6H2O
N2Oが発生した場合、NOxを含むこの比較的小さなガス流は、N2O用の分解触媒を使用して処理することができる。これによって、主に空気から成る副流は、NOと水を含むことになる。この副流が、排気受け3からの排気ガス流に混合される。このようにして、排気ガス流中のNOのモル濃度はNH3のモル濃度より高くなる。(好ましくは僅かに高くなる。)この混合された排気ガス流はSCR触媒40に導かれ、そこでNOとNH3は、標準的なSCRプロセスに従って、1モルのNOが1モルのNH3と反応する以下の反応に従って反応する。
4NO + 4NH3 + O2 -> 4N2 + 6H2O
If N2O is produced, this relatively small gas stream containing NOx can be treated using a decomposition catalyst for N2O. This results in a side stream, consisting mainly of air, containing NO and water. This side stream is mixed with the exhaust gas stream from exhaust receiver 3. In this way, the molar concentration of NO in the exhaust gas stream is higher (preferably slightly higher) than the molar concentration of NH3 . This mixed exhaust gas stream is directed to
4NO + 4NH3 + O2 -> 4N2 + 6H2O
ガス流がSCR触媒40を出るとき、NH3は実質的に全て除去され、NOxも、国際海事機関三次規制のレベルに達するまで減少している。
When the gas stream exits the
センサシステム44,45,46,47,48,49は、コントローラ60が排気ガス流中のアンモニアとNOxとの間のモル比(α)を決定することを可能にする1つ以上の信号を提供する。好ましくは、これらのセンサは、排気ガスの流れ中のアンモニアの濃度を表す信号を提供するように構成された少なくとも1つのアンモニアセンサ45,47,49と、排気ガス流中のNOxの濃度を表す信号を提供するように構成された少なくとも1つのNOxセンサ44,46,48とを含む。図3には、3つのアンモニアセンサ45,47,49と3つのNOxセンサ44,46,48が示されている。しかし、αを決定するのに十分な情報をコントローラ60に提供するためには、1組のセンサのみでもよい。実施形態によっては、一対のアンモニアセンサとNOxセンサが、排気受け3内の濃度を測定するように構成されている。
The
実施形態によっては、コントローラ60は、閉ループ方式で、NOxを含むガス流の流量を制御するように構成される。これは、NOxを含むガス流が排気ガス流に加えられる位置の下流で決定されたαを所望のαと比較し、それに応じてNOxを含むガス流の流量を制御することによって、行うことができる。NOx含有ガス流の流量制御は、例えば制御弁42の位置を調節することによって行うことができる。あるいは、コントローラ60は、NOxを含むガス流の流量をフィードフォワード制御するように構成される。
In some embodiments, the
実施形態によっては、機関は、SCR触媒40の入口の上流で、第1の排気導管19にNH3を添加することによってαを制御するように構成される。NH3は、アンモニア制御弁41によって制御されるラインを通じて添加される。またNH3は、例えば尿素の形態で、又は図示のようにガス状NH3の形態で添加される。αが実質的に1を下回る場合、制御弁41を開くことによって排気ガスにアンモニアを添加することにより、NOx排出を制御することができる。ここで、電子制御ユニット60は、電子制御ユニット60によって決定されたαに応じて、添加されるアンモニアの量、すなわち第1の排気ライン19へのアンモニア流の導管を調整するように構成されている。αが1又はそれ以上であるときは、制御された量のNOxを含むガス流を排気ガス流れ添加する。αが実質的に1未満であるときは、制御された量のアンモニア又は尿素(還元剤)の流れを排気ガス流に添加する。これによって、排気受け3から来る排気ガスが過剰のアンモニアを有するか、過剰のNOxを有するかにかかわらず、アンモニアスリップ及びNOx排出の両方を実質的に低減することができる。
In some embodiments, the engine is configured to control α by adding NH 3 to the
コントローラ60は、SCR触媒40に流入する排気ガス流の流量が、アンモニアとNOxとの間のモル比が1未満、好ましくは1をわずかに下回るように、NOx流の流量を調整するように構成される。すなわち、アンモニアのモル濃度がNOxのモル濃度と等しいかそれ未満、好ましくはわずかにそれを下回る大きさとなるように、NOx流の流量を調整するように構成される。
The
NOxを含むガス流は、NOとNO2の両方を含む。排気ガス流中のNOとNO2の比率は、運転条件によって異なり得る。実施形態によっては、図示されていないが、機関は、NOx含有ガス流中のNOとNO2との間の比率を調整するための手段を備える。実施形態によっては、NOx生成システムは、NOx含有ガス中のNOとNO2との間の比を制御するように構成される。コントローラ60は、NOx含有ガス中のNOとNO2との間の最適な比を決定し、それに応じてNOx含有ガス中のNOとNO2との間の比を調整するように構成される。NO2対NOの量は、例えば、酸化触媒後のNOx含有ガス流が冷却される場合に制御することができる。これは、NO2とNOとの間の比率を制御するために行うことができ、これはSCR反応器40の効率にとって重要である。NOx含有ガス流中にNO2が存在するが、NOの量より少ない場合には、いわゆる高速SCR(fast SCR)反応が起こり得る。
NO + NO2 + 2NH3 -> 2N2 + 3H2O
The gas stream containing NOx contains both NO and NO2 . The ratio of NO and NO2 in the exhaust gas stream may vary depending on the operating conditions. In some embodiments, not shown, the engine is provided with means for adjusting the ratio between NO and NO2 in the NOx-containing gas stream. In some embodiments, the NOx-producing system is configured to control the ratio between NO and NO2 in the NOx-containing gas. The
NO + NO2 + 2NH3 -> 2N2 + 3H2O
しかし、ガス中のNO2がNOに比べて多すぎると、SCR触媒40の効率が低下し、いわゆるスローSCR(slow SCR)反応が生じるため、これを抑制する必要がある。
8NH3 + 6NO2 -> 7N2 + 12H2O
However, if the amount of NO2 in the gas is too much compared to NO, the efficiency of the
8NH3 + 6NO2 -> 7N2 + 12H2O
(図示されていないが、)実施形態によっては、機関は、NOx含有ガスを貯蔵するための容器、好ましくは高圧下でNOx含有ガスを貯蔵するための容器、例えばNOxを含む高圧ガスボトルを備える。この容器は、好ましくは、制御弁を介して排気系に接続され、それにより、容器から排気ガス流への、制御されたNOx含有ガス流を実現する。 In some embodiments (not shown), the engine includes a container for storing NOx-containing gas, preferably a container for storing NOx-containing gas under high pressure, such as a high-pressure gas bottle containing NOx. The container is preferably connected to the exhaust system via a control valve, thereby providing a controlled flow of NOx-containing gas from the container to the exhaust gas stream.
また、少なくとも1つのNOxセンサ44が、NOx含有ガス流が添加される位置の上流側において、排気系内の排気ガスの流れのNOx濃度を表す信号を提供するように構成される。NOxセンサ46は、NOx含有ガス流が添加される位置の下流側であって、SCR触媒40の上流側の位置における、排気系内の排気ガス流のNOx濃度を表す信号を供給するように構成される。少なくとも1つのNOxセンサ48は、SCR触媒40の下流側において、排気系内の排気ガス流のNOx濃度を表す信号を提供するように構成される。少なくとも1つのアンモニアセンサ45は、NOx含有ガス流が添加される位置の上流側において、排気系内の排気ガス流のアンモニア濃度を表す信号を提供するように構成される。少なくとも1つのアンモニアセンサ47は、NOx含有ガス流が添加される位置の下流側であって、SCR触媒40の上流側において、排気系内の排気ガスのアンモニア濃度を表す信号を供給するように構成されている。少なくとも1つのアンモニアセンサ49は、SCR触媒40の下流側において、排気系内の排気ガス流のアンモニア濃度を表す信号を供給するように構成されている。
Also, at least one NOx sensor 44 is configured to provide a signal representative of the NOx concentration of the exhaust gas flow in the exhaust system upstream of the location where the NOx-containing gas flow is added. The
図4は、上記実施形態による内燃機関のような、ターボ過給機5を有する大型2ストロークユニフロー掃気ターボ過給式内燃機関の排気ガスからのアンモニアスリップを低減するための方法の一実施形態を示すフローチャートである。この方法は、アンモニアを主燃料として機関を運転し、それによってNOx及びNH3を含む排気ガス流を生成することと、シリンダから来る排気ガス中のαを決定することと、前記排気ガスに制御されたNOx流を加えることによって排気ガス流のαを調整することと、その後、前記排気ガス流を、例えばSCR触媒40においてSCR(選択的触媒還元)に供することと、を含む。
4 is a flow chart showing an embodiment of a method for reducing ammonia slip from the exhaust gas of a large two-stroke uniflow scavenged turbocharged internal combustion engine having a
シリンダから来る排気ガスのα、又はSCR触媒40に入る排気ガスのαが決定され、αが1以上の場合、SCR触媒40の上流で、NOx流が排気ガス流に加えられる。
The α of the exhaust gas coming from the cylinder or the α of the exhaust gas entering the
この方法はさらに、制御されたNOx流を排気ガス流に加える前に、アンモニアとNOxとの間のモル比を決定することと、決定したモル比が1以上の場合に、(好ましくは1以上の場合のみ、)制御されたNOx流を排気ガス流に加えることとを含む。 The method further includes determining a molar ratio between ammonia and NOx prior to adding the controlled NOx stream to the exhaust gas stream, and adding the controlled NOx stream to the exhaust gas stream if (and preferably only if) the determined molar ratio is greater than or equal to 1.
図5の方法の実施形態において、この方法は、決定したモル比を1未満のレベル、好ましくは1より僅かに低いレベルまで低下させるのに必要なNOx流の大きさを決定することと、NOx含有ガス流の大きさを前記決定した大きさに調整することとを含む。 In an embodiment of the method of FIG. 5, the method includes determining the magnitude of the NOx flow required to reduce the determined molar ratio to a level less than 1, preferably slightly less than 1, and adjusting the magnitude of the NOx-containing gas flow to the determined magnitude.
所望のαを達成するために排気ガス流に加えられることが必要なNOの量(NOx含有ガス流の大きさ)は、酸化触媒43を流れるアンモニア流の大きさを決定する。酸化されるべきNH3の量は、機関排気ガス中のNOと比較して過剰であるNH3と少なくとも同じモル量である。すなわち、
機関から排出されるNH3のモル数 - 機関から排出されるNOのモル数
= 追加で必要なNOのモル数
= 酸化されるべきNH3のモル数(100%変換の場合)
The amount of NO that needs to be added to the exhaust gas stream to achieve the desired α (the magnitude of the NOx-containing gas stream) determines the magnitude of the ammonia stream flowing through the
Moles of NH3 exhausted from engine - Moles of NO exhausted from engine = Moles of additional NO required = Moles of NH3 to be oxidized (for 100% conversion)
これが、α=1を達成するために必要である。典型的には、SCR触媒40は、0.8~0.95のα値のためにサイズ設定され、コントローラはそれに応じてα値を得るようにプロセスを調整するように構成される。NH3が副流として酸化触媒43に加えられる場合、エアフロー中のNH3濃度は通常約9.5~11.5%であり、NOの収率は90~98%である。酸化触媒43へのエアフローの量は、濃度と需要に依存するが、アンモニア4-20g/kWhに対応して、エアー0.06-0.3kg/kWhの範囲とすることができる。
This is necessary to achieve α=1. Typically, the
図6による方法の実施形態において、この方法は、NOx含有ガス流中のNOとNO2との間の所望の比率を決定することと、NOx含有ガス流中のNOとNO2との間の比率を調整することとを含む。 In an embodiment of the method according to FIG. 6, the method includes determining a desired ratio between NO and NO2 in the NOx-containing gas stream and adjusting the ratio between NO and NO2 in the NOx-containing gas stream.
発明の様々な捉え方や実装形態が、いくつかの実施例と共に説明されてきた。しかし、本願の明細書や図面、特許請求の範囲を検討すれば、当業者は、特許請求の範囲に記載される発明を実施するにおいて、説明された実施例に加えて多くのバリエーションが存在することを理解し、また具現化することができるであろう。特許請求の範囲に記載される「備える」「有する」「含む」との語句は、記載されていない要素やステップが存在することを排除しない。特許請求の範囲において記載される要素の数が複数であると明示されていなくとも、当該要素が複数存在することを除外しない。 Various aspects and implementations of the invention have been described with several examples. However, upon review of the specification, drawings, and claims of this application, one skilled in the art will understand and be able to embody many variations in addition to the described examples in carrying out the claimed invention. The words "comprise," "have," and "include" in the claims do not exclude the presence of elements or steps not recited. Even if a claim does not explicitly state that a number of elements is more than one, this does not exclude the presence of a number of such elements.
特許請求の範囲で使用されている符号は発明の範囲を限定するものと解釈されてはならない。特に言及されない限り、図面は明細書と共に読まれることが意図されており、本願による開示の全体の一部である。 Any reference signs used in the claims should not be construed as limiting the scope of the invention. Unless otherwise noted, the drawings are intended to be read together with the specification and are an integral part of this disclosure.
Claims (21)
・ シリンダライナ及び前記シリンダライナ内の往復ピストンを有する少なくとも1つのシリンダと、前記シリンダを覆うシリンダカバーと;
・ 前記シリンダ内において、前記往復ピストンと前記シリンダカバーとの間に形成される燃焼室と;
・ 前記燃焼室に掃気を供給する吸気系と;
・ 前記燃焼室におけるアンモニアの燃焼により生じた排気流を排出する排気系と;
・ 掃気を圧縮するための少なくとも1つのコンプレッサであって前記吸気系に存在するコンプレッサと、前記コンプレッサを駆動するための少なくとも1つの排気駆動タービンであって前記排気系に存在する排気駆動タービンとを有するターボ過給システムと;
・ 好ましくは前記排気駆動タービンの上流において前記排気系に配されるSCR触媒と;
を備え、前記SCR触媒内又はその上流で前記排気流にNOx含有ガス流を加える手段を備えることを特徴とする、機関。 1. A large two-stroke uniflow scavenging turbocharged internal combustion engine having at least one operating mode in which the primary fuel is ammonia,
at least one cylinder having a cylinder liner and a reciprocating piston within said cylinder liner, and a cylinder cover covering said cylinder;
a combustion chamber defined within the cylinder between the reciprocating piston and the cylinder cover;
an intake system for supplying scavenging air to the combustion chamber;
an exhaust system for exhausting an exhaust stream produced by the combustion of ammonia in said combustion chamber;
a turbocharging system having at least one compressor for compressing scavenging air, the compressor being present in the intake system, and at least one exhaust driven turbine for driving the compressor, the exhaust driven turbine being present in the exhaust system;
an SCR catalyst disposed in the exhaust system, preferably upstream of the exhaust driven turbine;
and means for adding a NOx containing gas stream to said exhaust stream within or upstream of said SCR catalyst.
前記NOx含有ガス流はNOxとしてNOとNO2とを含み、
前記機関は、前記NOx含有ガス流中のNOとNO2との間の比率を調整する手段を備える、
機関。 2. The engine of claim 1,
The NOx-containing gas stream contains NO and NO2 as NOx,
The engine includes a means for adjusting the ratio between NO and NO2 in the NOx-containing gas stream.
institution.
前記NOx含有ガス流を得るために、前記供給源からのNH3は、好ましくは触媒的に酸化されてNO、NO2及びH2Oになる、
請求項1に記載の機関。 a NOx production system for producing said NOx-containing gas stream, said NOx production system preferably having a source for providing a NH3 stream;
To obtain the NOx-containing gas stream, NH3 from the source is preferably catalytically oxidized to NO, NO2 and H2O ;
The engine of claim 1.
酸化触媒を備え、前記酸化触媒は好ましくは白金-ロジウム触媒であり、
前記機関は、好ましくは更に、前記酸化触媒への加圧アンモニアガスの供給源と、前記酸化触媒への加圧空気の供給源とを備え、前記加圧空気の供給源は、好ましくは前記吸気系からの掃気である、
機関。 9. The engine of claim 8,
an oxidation catalyst, said oxidation catalyst being preferably a platinum-rhodium catalyst;
The engine preferably further comprises a source of pressurized ammonia gas to the oxidation catalyst, and a source of pressurized air to the oxidation catalyst, the source of pressurized air being preferably scavenging air from the intake system.
institution.
前記少なくとも1つのNOxセンサが、前記NOx含有ガス流が加えられる位置の上流における、前記排気系内の排気流のNOx濃度を表す信号を提供するように構成され、及び/又は、
前記少なくとも1つのNOxセンサが、前記NOx含有ガス流が加えられる位置の下流であって前記SCR触媒の上流における、前記排気系内の排気流のNOx濃度を表す信号を供給するように構成され、及び/又は、
前記少なくとも1つのNOxセンサが、前記SCR触媒の下流における、前記排気系内の排気流のNOx濃度を表す信号を提供するように構成され、及び/又は、
前記少なくとも1つのアンモニアセンサが、前記NOx含有ガス流が加えられる位置の上流における、前記排気系内の排気流のアンモニア濃度を表す信号を提供するように構成され、及び/又は、
前記少なくとも1つのアンモニアセンサが、前記NOx含有ガス流が加えられる位置の下流であって前記SCR触媒の上流における、前記排気系内の排気ガスのアンモニア濃度を表す信号を提供するように構成され、及び/又は、
前記少なくとも1つのアンモニアセンサが、前記SCR触媒の下流における、前記排気系内の排気流のアンモニア濃度を表す信号を提供するように構成される、
機関。 2. The engine of claim 1,
the at least one NOx sensor is configured to provide a signal representative of a NOx concentration in an exhaust stream in the exhaust system upstream of a location where the NOx-containing gas stream is added; and/or
the at least one NOx sensor is configured to provide a signal representative of a NOx concentration in an exhaust stream in the exhaust system downstream of a location where the NOx-containing gas stream is added and upstream of the SCR catalyst; and/or
the at least one NOx sensor is configured to provide a signal indicative of NOx concentration in the exhaust stream in the exhaust system downstream of the SCR catalyst; and/or
the at least one ammonia sensor is configured to provide a signal representative of an ammonia concentration in the exhaust stream in the exhaust system upstream of a location where the NOx-containing gas stream is added; and/or
the at least one ammonia sensor is configured to provide a signal representative of an ammonia concentration in exhaust gas in the exhaust system downstream of the location where the NOx-containing gas stream is added and upstream of the SCR catalyst; and/or
the at least one ammonia sensor is configured to provide a signal representative of an ammonia concentration in an exhaust stream in the exhaust system downstream of the SCR catalyst.
institution.
a)アンモニアを主燃料として前記機関を運転し、それによってNOx及びNH3を含む排気ガスの流れを生成することと、
b)制御されたNOx流を前記排気ガスに添加することにより、前記排気ガスの流れの中のアンモニアとNOxとの間の比率を調整することと、
c)その後、前記排気ガスの流れをSCRに送ることと、
を含む、方法。 1. A method for reducing ammonia slip from a large two-stroke uniflow scavenged turbocharged internal combustion engine, comprising:
a) operating said engine with ammonia as a primary fuel, thereby producing an exhaust gas stream comprising NOx and NH3 ;
b) adjusting the ratio between ammonia and NOx in said exhaust gas stream by adding a controlled NOx flow to said exhaust gas;
c) thereafter directing said exhaust gas stream to an SCR;
A method comprising:
前記加圧された空気流は、好ましくは吸気系から発し、好ましくはターボ過給機のコンプレッサの下流の位置で前記吸気系から発し、好ましくは前記吸気系のインタークーラーの上流から発する、
請求項17に記載の方法。 supplying a pressurized ammonia gas stream and a pressurized air stream to an inlet of an oxidation catalyst to produce a NOx-containing gas stream exiting an outlet of the oxidation catalyst;
The pressurized air flow preferably originates from an intake system, preferably at a location downstream of a turbocharger compressor, preferably upstream of an intercooler of the intake system.
20. The method of claim 17.
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