JP7091029B2 - 排ガス後処理システム及び内燃機関 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の排ガス後処理システム及び当該排ガス後処理システムを有する内燃機関に関する。

例えば発電所で使用される静止型内燃機関の燃焼プロセスと、例えば船舶上で使用される非静止型内燃機関の燃焼プロセスと、では、窒素酸化物が生成され、これら窒素酸化物は、概して、硫黄含有化石燃料、例えば石炭、瀝青炭、褐炭、石油、重油又はディーゼル燃料を燃焼するときに生じる。従って、排ガス後処理システムが、このタイプの内燃機関に設けられ、これら排ガス後処理システムは、内燃機関を出た排ガスを浄化するため、特に窒素を取り除くために使用される。

排ガス中の窒素酸化物を還元させるために、ＳＣＲ触媒コンバータとして公知なものが、排ガス後処理システムで、まず使用される。ＳＣＲ触媒コンバータでは、窒素酸化物の選択的接触還元が行われ、この選択的接触還元では、アンモニア（ＮＨ_３）が窒素酸化物を還元するために必要とされる。アンモニア（ＮＨ_３）又はアンモニア前駆物質、例えば尿素は、このために、ＳＣＲ触媒コンバータの上流において液体形態で排ガス内に導入され、アンモニア又はアンモニア前駆物質は、ＳＣＲ触媒コンバータの上流で排ガスと混合される。このために、実施では、混合セクションが、アンモニア又はアンモニア前駆物質の導入部とＳＣＲ触媒コンバータとの間に設けられている。

ＳＣＲ触媒コンバータを備える、実施から公知の排ガス後処理システムにより、排ガス後処理、特に窒素酸化物還元がすでに行われているが、さらに排ガス後処理システムを改良することが求められている。特に、コンパクトな構成で効果的な排ガス後処理を可能にすることが求められている。

これに基づいて、本発明の目的は、コンパクトな構成で効果的な排ガス後処理を可能にする、新たな排ガス後処理システム及び後処理システムを有する内燃機関を作り出すことである。

この目的は、請求項１に記載の排ガス後処理システムによって達成される。本発明によれば、熱膨張を補償するため且つ振動を分離するための補償要素が、混合セクションの領域において排ガス供給ラインに組み込まれている。これは、コンパクトな構成の排ガス後処理システムで効果的な排ガス後処理を可能にする。

補償要素は、好ましくは、蛇腹状補償器として構築される。蛇腹状補償器は、排ガス後処理システムの特にコンパクトな構成を可能にする。

有利な発展によれば、還元剤の導入デバイスから補償要素までの距離は、導入デバイスの領域での排ガス供給ラインの直径の、最大でも７倍、好ましくは最大でも５倍、特に好ましくは最大でも３倍である。この発展は、同様に、コンパクトな構成の排ガス後処理システムで効果的な排ガス後処理を可能にする。

さらに有利な発展によれば、保護要素が、流れ側で補償要素を遮蔽している。好ましくは、このために、補償要素の上流端部が、補償要素につながっている、排ガス供給ラインのセクションの下流端部に接続され、補償要素の下流端部が、補償要素から離れる方向につながっている、排ガス供給ラインのセクションの上流端部に接続されるように、補償要素は、混合セクションの領域で排ガス供給ラインに組み込まれており、保護要素が、補償要素につながっている、排ガス供給ラインのセクションの下流端部で作用する。この発展は、同様に、コンパクトな構成の排ガス後処理システムで効果的な排ガス後処理を可能にする。特に、補償要素の機能を損なわせる尿素分解生成物、例えばメラミン又はシアヌル酸が補償要素の領域で堆積されることが防止される。

本発明による内燃機関は、請求項８で規定されている。

本発明の好ましい発展は、従属請求項及び以下の説明から明らかになる。本発明の例示的な実施形態は、図面に限定されることなく、図面に基づいてより詳細に説明される。

本発明による排ガス後処理システムを有する内燃機関の概略斜視図を示す。 図１の排ガス後処理システムの細部を示す。

本発明は、内燃機関、例えば発電所での静止型内燃機関又は船舶上で使用される非静止型内燃機関の排ガス後処理システムに関する。

特に、本発明は、好ましくは２ストローク海洋ディーゼル内燃機関として実現された、重油を使用して動作される海洋ディーゼル内燃機関の排ガス後処理システムに関する。

図１は、排ガスターボチャージシステム２及び排ガス後処理システム３を有する内燃機関１から構成されている装置を示している。内燃機関１は、非静止型内燃機関又は静止型内燃機関であり、特に非静止方式で動作される海洋内燃機関である。内燃機関１のシリンダ４を出た排ガスは、排ガスチャージシステム２で使用され、これにより、排ガスの熱エネルギーから機械的エネルギーを得て、内燃機関１によって供給されるチャージエアを圧縮する。

このように、図１は、少なくとも１つの排ガスターボチャージャー５を備える排ガスターボチャージシステム２を有する内燃機関１を示している。内燃機関１のシリンダ４を出た排ガスは、排ガスターボチャージャー５のタービン６を介して流れ、且つタービン６内で解放され、タービン６で得られたエネルギーは、チャージエアを圧縮するために排ガスターボ―チャージャー５の圧縮機（図示せず）で使用される。好ましくは、内燃機関１は、高圧ターボチャージャー及び低圧ターボチャージャーを有する二段型排ガスターボチャージシステム２を備えている。

内燃機関１は、排ガスチャージシステム２に加えて、ＳＣＲ排ガス後処理システムである排ガス後処理システム３を備えている。ＳＣＲ排ガス後処理システム３は、好ましくは内燃機関１のシリンダ４と排ガスターボチャージシステム２との間に接続され、従って、このため、内燃機関１のシリンダ４を出た排ガスは、まず、ＳＣＲ排ガス後処理システム３を介してガイドされ、その後、排ガスチャージシステム２のみを介してガイドされる。

図１は、排ガス供給ライン８を示し、内燃機関１のシリンダ４から出発した排ガスは、排ガス供給ライン８を介して、リアクタチャンバ１０内に配置されたＳＣＲ触媒コンバータ９に向かってガイドされる。さらに、図１は、排ガス放出ライン１１を示し、排ガス放出ライン１１は、排ガスターボチャージャー５のタービン６に向かってＳＣＲ触媒コンバータ９から排ガスを放出するために使用される。

図１の内燃機関１は、全てのシリンダ４のための共通の排ガスマニホルド７を有している。内燃機関１のシリンダ４を出た排ガスは、排ガスマニホルド７から出発して排ガス供給ライン８を介して排ガス後処理システム３に向かって、すなわちそれぞれのリアクタチャンバ１０及びそれぞれのＳＣＲ触媒コンバータ９に向かって、且つ排ガス後処理システム３の下流に排ガスターボチャージシステム２の排ガスターボチャージャー５を介してガイドされる。

リアクタチャンバ１０につながっている、従ってリアクタチャンバ１０内に位置決めされたＳＣＲ触媒コンバータ９につながっている排ガス供給ライン８と、リアクタチャンバ１０から離れる方向につながっている、従ってＳＣＲ触媒コンバータ９又は排ガスマニホルド７から離れる方向につながっている排ガス放出ライン１１と、は、好ましくは、シャットオフバルブが組み込まれたバイパス（図示せず）を介して結合されている。シャットオフバルブが閉じられると、排ガスがバイパスを介して流れることができないように、バイパスが閉じられる。逆に、シャットオフバルブが開いていると、排ガスは、バイパスを介して流れることができ、具体的には、排ガス供給ライン８から排ガス放出ライン１１内に直接流れることができるとともに、リアクタチャンバ１０と、リアクタチャンバ内に位置決めされたＳＣＲ触媒コンバータ９と、を迂回する。

導入デバイス１２が、排ガス後処理システム３の排ガス供給ライン８に設けられ、還元剤、特にアンモニア又はアンモニア前駆物質が、この導入デバイスにより、排ガス流れ内に導入することができ、これは、ＳＣＲ触媒コンバータ９の領域において規定された方式で排ガスの窒素酸化物を変換するために必要とされる。

排ガス後処理システム３のこの導入デバイス１２は、好ましくは噴射ノズルであり、アンモニア又はアンモニア前駆物質、例えば尿素又は尿素水溶液は、噴射ノズルにより排ガス供給ライン８の内部の排ガス流れに噴射される。図２は、排ガス供給ライン８の領域での排ガス流れへの還元剤の噴射を明確にするためにコーン１３を使用している。

流れ方向に見ると導入デバイス１２の下流及びＳＣＲ触媒コンバータ９の上流に位置づけられた、排ガス後処理システム３のセクションは、混合セクション１４と称される。特に、排ガス供給ライン８は、導入デバイス１２の下流に混合セクション１４を提供し、混合セクション内では、排ガスは、ＳＣＲ触媒コンバータ９の上流で還元剤と混合することができる。

内燃機関１の排ガスマニホルド７及び混合セクション１４は、好ましくは、排ガス供給ライン８と一緒に組み合わせられて共通の組立体を形成する。この場合、好ましい実施形態によれば、少なくとも所定のセクションにおいて混合セクション１４を形成する排ガス供給ライン８は、排ガスの流れ方向で見ると排ガスマニホルド７の後に同軸上に位置決めされている。

図１によれば、排ガスマニホルド７と混合セクション１４と排ガス供給ライン８とを形成する、内燃機関１のそれぞれの組立体は、それぞれの排ガスマニホルド７から出てくる排ガスが、方向転換することのない方式で、それぞれの混合セクション１４に供給することができるように、構築される。従って、図１では、排ガスは、シリンダ側排ガスオリフィス１６の領域で排ガスマニホルド７に入るときと、ＳＣＲ触媒コンバータ９の上流の排ガス供給ライン８の下流端部１５の領域でリアクタチャンバ１０に入るときと、にのみ方向転換を経験する。これは、コンパクトな構成で効果的な排ガス後処理を保証するために有利である。

図１，図２は、矢印１７で排ガスの流れを明確にしている。図１から、排ガス１７が、シリンダ側排ガスオリフィス１６の領域でおよそ９０°又は９０°近く方向転換させられ、排ガスマニホルド７内に流れることが分かる。排ガスは、排ガスマニホルド７から出発して、排ガス供給ライン８の下流端部１５まで方向転換のない方式で排ガス供給ライン８を通って流れ、下流端部１５は、リアクタチャンバ１０の領域で開いている。排ガス供給ライン８のこの端部１５の領域では、排ガスは、およそ１８０°又は１８０°近く流れの方向転換を経験し、排ガスは、この流れの方向転換の後にＳＣＲ触媒コンバータ９を介してガイドされる。

排ガス供給ライン８は、下流端部１５でリアクタチャンバ１０内に開いている。好ましい実施形態によれば、排ガス供給ライン８は、排ガス供給ライン８の下流端部１５の領域で漏斗状となるように幅広とされ、これにより、ディフューザ１８を形成する。結果として、排ガス供給ライン８の流れ断面は、下流端部１５の領域で拡大され、排ガスの流れ方向で見ると、排ガス供給ライン８の下流端部１５のディフューザ１８の上流では排ガス供給ライン８の流れ断面がまず減少されることが提供される。

排ガス供給ライン８及び排ガス放出ライン１１は、リアクタチャンバ１０の共通の第１の側１９に作用する。この場合、この第１の側１９から出発した排ガス供給ライン８は、排ガス供給ライン８の下流端部１５が、リアクタチャンバ１０の第１の側１９の反対側のリアクタチャンバの第２の側２０に隣り合って位置決めされるように、リアクタチャンバ１０内に延在する。排ガス放出ライン１１は、第１の側１９でリアクタチャンバ１０内に開いている。排ガス供給ライン８を介して供給された排ガスは、排ガス供給ライン８の下流端部１５に向かい合った、リアクタチャンバ１０の第２の側２０の領域で方向転換され、その後、ＳＣＲ触媒コンバータ９を介して、そして第１の側１９を介して排ガス放出ライン１１の領域内に流れる。排ガス放出ライン１１は、所定のセクションにおいて外側から、好ましくは同心円状に、リアクタチャンバ１０の第１の側１９に隣り合って排ガス供給ライン８を取り囲む。

補償要素２１が、混合セクション１４の領域で、つまり、還元剤のための導入デバイス１２の下流で且つリアクタチャンバ１０の上流、従ってＳＣＲ触媒コンバータ９の上流で、排ガス供給ライン８内に組み込まれ、この補償要素は、熱膨張を補償するため且つ振動を分離するために使用される。

作動している内燃機関１と内燃機関１の作動している排ガスチャージシステム２とにより排ガス後処理システム３の動作中に生じる可能性のある、排ガス供給ライン８の領域での熱膨張と、排ガス供給ライン８の領域での振動と、は、補償することができる。

このような補償要素２１を混合セクション１４の領域で排ガス供給ライン８に組み込むことにより、効果的な排ガス後処理が、コンパクトな構成の排ガス後処理システムで、従って最終的にはコンパクトな構成の内燃機関で保証することができる。

補償要素２１は、好ましくは蛇腹状補償器である。

補償要素２１の上流端部２１ａが、補償要素２１につながっている、排ガス供給ライン８のセクション８ａの下流端部２２に作用する一方で、補償要素２１の下流端部２１ｂが、補償要素２１から離れる方向につながっている、排ガス供給ライン８のセクション８ｂの上流端部２３に作用するように、補償要素２１は、混合セクション１４の領域で排ガス供給ライン８に組み込まれる。

還元剤のための導入デバイス１２から補償要素２１までの距離は、導入デバイス１２の領域での排ガス供給ライン８の直径、つまり還元剤のための導入デバイス１２の領域で補償要素２１につながっている排ガス供給ライン８のセクション８ａの直径の、最大でも７倍、好ましくは最大でも５倍、特に好ましくは最大でも３倍に相当する。これは、効果的な排ガス後処理を保証しながら、コンパクトな構成で熱膨張を最適に補償するため且つ振動を最適に分離するために特に好ましい。

この段階で、特にリアクタチャンバ１０、従ってＳＣＲ触媒コンバータ９が、例示的な実施形態で示されるように排ガスターボチャージャー５の上流に配置されている場合には、補償要素２１は、特に増大した圧力に起因して生じるガス力を補償するために、追加的にせん断力を補償することが指摘される。

ある発展によれば、排ガス供給ライン８に組み込まれた補償要素２１が、保護要素２４により排ガス流れから覆われることが提供される。この場合の保護要素２４は、補償要素２１につながっている排ガス供給ライン８のセクション８ａに作用し、且つ貫流方向で見ると排ガス供給ライン８のこのセクション８ａから出発して、すなわち排ガス供給ライン８のセクション８ａの下流端部２２から出発して、補償要素２１から離れる方向につながっている排ガス供給ライン８のセクション８ｂに向かって延在し、ここで排ガス流れから補償要素２１を覆う。補償要素２１の流入側では、補償要素２１は、そこで閉じられた保護要素２４によって完全に覆われる。補償要素２１の流出側では、補償要素２１は、そこで開いている保護要素２４によりアクセス可能である。熱膨張を補償するため且つ振動を分離するための補償要素２１の制限されていない機能は、保護要素２４により保証される一方で、還元分解生成物が、補償要素２１上に堆積されること及び補償要素２１の機能を損なうことが防止される。

上述したように、内燃機関１のシリンダ４を出た排ガスの効果的な排ガス後処理が、特にコンパクトな構成で補償要素２１により保証される。

図１の例示的な実施形態では、排ガスマニホルド７と混合セクション１４と排ガス供給ライン８と、追加的に排ガス供給ライン８に組み込まれた補償要素２１と、を提供する共通の組立体が、出てくる排ガスが方向転換のない方式でそれぞれの混合セクション１４の排ガスマニホルド７に供給されるように、実現される。これは、上述したように好ましい。逆に、排ガスの流れが排ガスマニホルド７から混合セクション１４の領域内に、従って排ガス供給ライン８の領域内に出発するシンプルな方向転換を排ガスが経験する、例示的な実施形態も可能であり、つまり、排ガスが、具体的に排ガスマニホルド７から排ガス供給ライン８内へ、続いて混合セクション１４の領域内への移動中に、具体的に最大でも９０°まで、１回方向転換される。内燃機関での設置空間の理由のために、排ガスの多数の方向転換が必要であるべき場合、排ガスマニホルド７から出てくる排ガスが、排ガスの最大でも３回の方向転換又は最大でも２７０°の排ガスマニホルド７と混合セクション１４との間の排ガスの方向転換をして混合セクション１４に供給されるように、好ましくは排ガスの最大でも２回の方向転換又は最大でも１８０°の排ガスマニホルド７と混合セクション１４との間の排ガスの方向転換をして混合セクション１４に供給されるように、排ガスマニホルド７と排ガス供給ライン８と混合セクション１４と補償要素２１とを提供する組立体が、構築されることが、本発明の意味で提供される。最大でも９０°の排ガスマニホルド７と混合セクション１４との間の排ガスの方向転換は、好ましいが、混合セクション１４に向かって排ガスマニホルド７から出発する排ガスの方向転換のない供給が、好ましい。これらの細部は、コンパクトな構成で効果的な排ガス後処理ももたらす。

ＳＣＲ触媒コンバータ９又はそれぞれのリアクタ１０から最も遠く位置付けられた、それぞれの排ガスマニホルド７内へのシリンダ側排ガスオリフィス１６と、ＳＣＲ触媒コンバータ９又はリアクタチャンバ１０と、の間の距離が、ＳＣＲ触媒コンバータ９又はリアクタチャンバ１０から最も遠く位置付けられた、排ガスマニホルド７内へのシリンダ側排ガスオリフィス１６と、ＳＣＲ触媒コンバータ９又はリアクタチャンバ１０に最も近く位置付けられた、排ガスマニホルド７内へのシリンダ側排ガスオリフィス１６と、の間の距離の、最大でも６倍、好ましくは最大でも４倍、特に好ましくは最大でも２倍に相当するように、排ガスマニホルド７と混合セクション１４と補償要素２１と排ガス供給ライン８とを形成する共通の組立体は、好ましくは構築される。これは、コンパクトな構成による内燃機関の効果的な動作と効果的な排ガス後処理とを保証するため且つ補償要素の長さを最小限に維持するためにも有利である。

示される例示的な実施形態では、リアクタチャンバ１０、従ってＳＣＲ触媒コンバータ９は、排ガスターボチャージャー５の上流の排ガス側に配置される。リアクタチャンバ１０、従ってＳＣＲ触媒コンバータ９は、排ガスターボチャージャーの下流の排ガス側に配置されることも可能である。リアクタチャンバ１０、従ってＳＣＲ触媒コンバータ９は、高圧排ガスターボチャージャーと低圧排ガスターボチャージャーとの間の排ガス側に接続されることもさらに可能である。

上述した細部は、特に２ストローク内燃機関での使用に適しており、これら２ストローク内燃機関は、残存オイルを使用して又は重油によりもしくは天然ガスにより動作させられる。しかしながら、本発明は、４ストローク内燃機関で使用することもできる。

１ 内燃機関、２ 排ガスチャージシステム、３ 排ガス後処理システム、４ シリンダ、５ 排ガスターボチャージャー、６ タービン、７ 排ガスマニホルド、８ 排ガス供給ライン、８ａ セクション、８ｂ、セクション、９ ＳＣＲ触媒コンバータ、１０ リアクタチャンバ、１１ 排ガス放出ライン、１２ 導入デバイス、１３ 噴射コーン、１４ 混合セクション、１５ 端部、１６ 排ガスオリフィス、１７ 流れ、１８ ディフューザ、１９ 側、２０ 側、２１ 補償要素、２１ａ 端部、２１ｂ 端部、２２ 端部、２３ 端部、２４ 保護要素

Claims (9)

1. 内燃機関（１）のための排ガス後処理システム（３）であって、
   リアクタチャンバ（１０）内に配置された少なくとも１つのＳＣＲ触媒コンバータ（９）と、前記リアクタチャンバ（１０）につながっている排ガス供給ライン（８）と、前記リアクタチャンバ（１０）から離れる方向につながっている排ガス放出ライン（１１）と、排ガス内に還元剤を導入するために前記排ガス供給ライン（８）に設けられた導入デバイス（１２）と、前記リアクタチャンバ（１０）の上流で前記排ガスを前記還元剤と混合させるためにそれぞれの前記導入デバイス（１２）の下流に配置された混合セクション（１４）と、を有する、排ガス後処理システムにおいて、
   熱膨張を補償するため且つ振動を分離するための補償要素（２１）が、前記混合セクション（１４）の領域で前記排ガス供給ライン（８）に組み込まれており、
   前記補償要素（２１）が、前記排ガス供給ライン（８）の外面よりも内側に位置しており、
   保護要素（２４）が、流れ側で前記補償要素（２１）を遮蔽しており、前記保護要素（２４）が、前記排ガス供給ライン（８）の内壁から前記排ガス供給ライン（８）の内側に向かって延在する部分と、前記排ガスの流れ方向において前記補償要素（２１）から突出することのないように前記部分から前記排ガスの流れ方向に延在する部分と、を備えていることを特徴とする排ガス後処理システム。
2. 前記補償要素（２１）が、蛇腹状補償器として構築されていることを特徴とする請求項１に記載の排ガス後処理システム。
3. 前記導入デバイス（１２）から前記補償要素（２１）までの距離が、前記導入デバイス（１２）の領域での前記排ガス供給ライン（８）の直径の、最大でも７倍に相当することを特徴とする請求項１又は２に記載の排ガス後処理システム。
4. 前記補償要素（２１）の上流端部（２１ａ）が、前記補償要素（２１）につながっている、前記排ガス供給ライン（８）のセクション（８ａ）の下流端部（２２）に接続されるように、且つ前記補償要素（２１）の下流端部（２１ｂ）が、前記補償要素（２１）から離れる方向につながっている、前記排ガス供給ライン（８）のセクション（８ｂ）の上流端部（２３）に接続されるように、前記補償要素（２１）が、前記混合セクション（１４）の領域で前記排ガス供給ライン（８）に組み込まれ、
   前記保護要素（２４）が、前記補償要素（２１）につながっている、前記排ガス供給ライン（８）の前記セクション（８ａ）の前記下流端部（２２）で作用し、流れ側で前記補償要素（２１）を遮蔽していることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の排ガス後処理システム。
5. 複数のシリンダ（４）と、シリンダ（４）のグループに対して共通の少なくとも１つの排ガスマニホルド（７）と、請求項１から４のいずれか一項に記載の排ガス後処理システム（３）と、を有する内燃機関（１）であって、
   それぞれの前記排ガスマニホルド（７）から出てくる排ガスが、前記排ガス後処理システム（３）を介してガイドすることができ、且つ前記排ガス後処理システム（３）の下流に前記内燃機関（１）の排ガスチャージシステム（２）の少なくとも１つの排ガスターボチャージャー（５）を介してガイドすることができることを特徴とする内燃機関。
6. それぞれの前記排ガスマニホルド（７）とそれぞれの前記混合セクション（１４）とそれぞれの前記補償要素（２１）とが組み合わせられて共通の組立体を形成していることを特徴とする請求項５に記載の内燃機関。
7. それぞれの前記ＳＣＲ触媒コンバータ（９）又はそれぞれのリアクタチャンバ（１０）から最も遠く位置づけられた、前記排ガスマニホルド（７）内への第１のシリンダ側排ガスオリフィス（１６）と、それぞれの前記ＳＣＲ触媒コンバータ（９）又はそれぞれのリアクタチャンバ（１０）と、の間の距離が、それぞれの前記排ガスマニホルド（７）内への前記第１のシリンダ側排ガスオリフィス（１６）と、それぞれの前記ＳＣＲ触媒コンバータ（９）又はそれぞれの前記リアクタチャンバ（１０）に最も近く位置づけられた、それぞれの前記排ガスマニホルド（７）内への第２のシリンダ側排ガスオリフィス（１６）と、の間の距離の、最大でも６倍に相当するように、それぞれの前記共通の組立体が構築されていることを特徴とする請求項６に記載の内燃機関。
8. それぞれの前記排ガスマニホルド（７）から出てくる前記排ガスが、最大でも３回の方向転換で、それぞれの前記混合セクション（１４）に供給することができることを特徴とする請求項５から７のいずれか一項に記載の内燃機関。
9. それぞれの前記排ガスマニホルド（７）から出てくる前記排ガスが、最大でも２７０°の方向転換で、それぞれの前記混合セクション（１７）に供給することができることを特徴とする請求項５から８のいずれか一項に記載の内燃機関。

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