JP2014163385A - 内燃機関、排ガス再循環装置、および排ガス再循環のための方法 - Google Patents

Abstract

【課題】重油で作動される内燃機関において、内燃機関の構成ユニットに対する腐食の危険を増大させることなく、排ガス再循環を利用する。
【解決手段】気筒（１２）を出て過給機（１５）に供給可能である排ガス（１４）は、少なくとも一つの排ガス再循環冷却器（２５，２６）を含む排ガス再循環装置（２３）を用いて、過給機（１５）の上流において分岐可能であるとともに、冷却後に圧縮された給気（１３）と混合可能であり、排ガス再循環装置（２３）を介してガイドされる排ガスに対して、硫黄を含有する酸の露点温度を下回るように排ガス再循環装置（２３）を介してガイドされる排ガスを冷却する排ガス再循環冷却器（２６）の上流において、少なくとも一つの添加剤（２７，３４）が導入可能であり、当該少なくとも一つの添加剤は排ガスの硫黄酸化物を結合させる、および／あるいは排ガスを冷却する際に生じる、硫黄を含有する酸を中和する。
【選択図】図１

Description

本発明は内燃機関に関する。本発明はまた、内燃機関のための排ガス再循環装置と、内燃機関における排ガス再循環のための方法とに関する。

重油で作動される内燃機関には、用いられる燃料、すなわち重油が高度に硫黄を含有するという特殊性がある。硫黄酸化物は排ガスの他の成分と反応し、内燃機関の排ガス浄化装置のような、内燃機関の構成ユニットへの蒸着を生じさせるおそれがある。

特許文献１から、過給機と排ガス浄化装置とを有する内燃機関が知られている。当該過給機は一段式または二段式の過給機として実施されている。排ガス浄化装置は少なくとも一つのＳＣＲ触媒を含んでおり、当該ＳＣＲ触媒は一段式の過給機においては、排気ターボ過給機のタービンの下流か排気ターボ過給機のタービンの上流かに配置されている。二段式の過給機の場合、ＳＣＲ触媒は当該従来技術によれば、高圧排気ターボ過給機の高圧タービンと低圧排気ターボ過給機の低圧タービンとの間に配置されている。

乗用車および商用車における応用から、いわゆる排ガス再循環の利用により、内燃機関の排ガス排出をさらに減少させることが知られている。

独国特許出願公開第１０２００４０２７５９３号明細書

しかしながら、重油で作動される内燃機関において排ガス再循環を利用することには問題がある。そのために重油で作動される内燃機関において、排ガス再循環装置は従来用いられ得なかった。これは取り分け以下のような理由による。すなわち、排ガス再循環の際、再循環させるべき排ガスは排ガス再循環冷却器を介して、硫黄を含有する酸の露点温度を下回るように冷却されるので、その場合、排ガス再循環の構成ユニットと内燃機関の構成ユニットは、硫黄を含有する酸に接触し、それにより硫黄を含有する酸の強い腐食作用の結果として損傷を受け得る。この点に基づいて本発明は、重油で作動される新式の内燃機関と、このような内燃機関のための新式の排ガス再循環装置と、このような内燃機関における排ガス再循環のための新式の方法と,を創出することを課題とする。

上記の課題は請求項１に記載の内燃機関によって解決される。本発明によれば、気筒を出て過給機に供給可能である排ガスは、少なくとも一つの排ガス再循環冷却器を含む排ガス再循環装置を用いて、過給機の上流において分岐可能であるとともに、冷却後に圧縮された給気と混合可能であり、排ガス再循環装置を介してガイドされる排ガスに対して、硫黄を含有する酸の露点温度を下回るように排ガスを冷却する排ガス再循環冷却器の上流において、少なくとも一つの添加剤が導入可能であり、当該少なくとも一つの添加剤は排ガスの硫黄酸化物を結合させる、および／あるいは排ガスを冷却する際に生じる、硫黄を含有する酸を中和する。本発明により、重油で作動される内燃機関において排ガス再循環を利用することが提案され、これは以下の点により実現される。すなわち、排ガス再循環を介してガイドされる排ガスに、排ガスの硫黄酸化物を結合させる、および／あるいは排ガスを冷却する際に生じる、硫黄を含有する酸を中和する添加剤が導入されることによって実現される。これにより排ガス再循環の構成ユニットもしくは気筒のピストンが硫黄を含有する酸と接触することが回避される。これらの構成ユニットが腐食によって損傷を受けることに対して有効な対処がなされ得る。

単独の添加剤または個々の添加剤は好ましくは排ガスの硫黄酸化物と、および／あるいは排ガスを冷却する際に生じる、硫黄を含有する酸と水溶性の反応生成物とを形成しながら反応し、当該反応生成物は、単独の排ガス再循環冷却器または個々の排ガス再循環冷却器に後置された液滴セパレータを介して、凝縮水と共に排ガス再循環装置から導出することができる。硫黄酸化物および／または硫黄を含有する酸が反応して水溶性の反応生成物が生じることと、水溶性の反応生成物を凝縮水と共に液滴セパレータを介して導出することとは、構成上簡単であり、有効かつ好ましい。

本発明の好適なさらなる構成によれば、排ガス再循環装置は、硫黄を含有する酸の露点温度を上回る温度に排ガスを冷却する第一の排ガス再循環冷却器と、硫黄を含有する酸の露点温度を下回る温度に排ガスを冷却する第二の排ガス再循環冷却器と、を有している。単独の添加剤または個々の添加剤は、排ガス再循環装置を介してガイドされる排ガスの流れ方向で見た場合、第二の排ガス再循環冷却器の上流であり、かつ、第一の排ガス再循環冷却器の下流または代替的に上流において、排ガスに導入される。当該実施は重油で作動される内燃機関において特に好適である。排ガスの硫黄酸化物を結合させる、および／あるいは排ガスを冷却する際に生じる、硫黄を含有する酸を中和する単独の添加剤または個々の添加剤は好ましくは、二つの排ガス再循環冷却器の間で排ガスに導入される。

本発明に係る内燃機関のための排ガス再循環装置は、請求項８に規定されている。

本発明に係る内燃機関における排ガス再循環のための方法は、請求項１０に規定されている。

本発明の好適なさらなる構成は従属請求項と、以下の詳細な説明と、に記載されている。本発明の実施の形態を図面に基づいてより詳しく説明するが、本発明は当該実施の形態に限定されるものではない。図面に示すのは以下の通りである。

第一の本発明に係る内燃機関を概略的に示す図である。 第二の本発明に係る内燃機関を概略的に示す図である。

本発明は重油で作動される内燃機関、特に船舶用ディーゼルエンジンに関する。

図１は本発明に係る、重油で作動される内燃機関１０の第一の実施の形態を概略的に表示しており、内燃機関１０は複数の気筒１２を有するエンジン１１を含んでいる。内燃機関１０の気筒１２では燃料として重油が燃焼され、そのために内燃機関１０の気筒１２には重油のほかに、さらに圧縮された給気１３が供給される。重油が燃焼する際に生じる排ガス１４は、内燃機関１０の気筒１２から排出される。

図１に示す内燃機関１０は過給機１５を有しており、当該過給機は図に示す実施の形態では二つのターボ過給機１６および１７を含んでいる。第一のターボ過給機１６はいわゆる高圧ターボ過給機として実施され、第二のターボ過給機１７はいわゆる低圧ターボ過給機として実施されている。内燃機関１０の気筒１２を出た排ガス１４はまず、高圧ターボ過給機１６の高圧タービン１８の領域に到達し、続いて低圧ターボ過給機１７の低圧タービン１９の領域に到達する。

ターボ過給機１６および１７のタービン１８および１９において排ガス１４は逐次的に膨張させられ、このとき得られるエネルギーが利用され、それによってターボ過給機１６，１７の圧縮機２０もしくは２１において給気１３を逐次的に圧縮する。すなわち、低圧ターボ過給機１７は低圧圧縮機２１を含んでおり、高圧ターボ過給機１６は高圧圧縮機２０を含んでいる。ターボ過給機１６，１７の個々の圧縮機２０，２１の下流にはそれぞれ、給気冷却器２２が設けられている。

ここで、図１に示されている、二つのターボ過給機１６，１７を含む過給機１５と異なり、一段式、または二段より多くの過給機も用いられ得ることを指摘しておく。本発明に係る、重油で作動される内燃機関１０はさらに、図に示されていない排ガス浄化装置を有していてよい。このような排ガス浄化装置は少なくとも一つの、図に示されていない排ガス触媒コンバータ、例えばＳＣＲ触媒を有している。排ガス浄化装置はさらに、粒子フィルターを有し得る。

本発明に係る内燃機関１０は排ガス再循環装置２３を有している。排ガス再循環装置２３を用いて、排ガス再循環バルブ２４が開放されているとき、気筒１２を出る排ガス１４の流れ方向で見て、単独のまたは個々のターボ過給機１６，１７の上流において、排ガスは排ガス流から分岐され得、図１の実施の形態では排ガス再循環装置２３を経て分岐された排ガスは、二つの排ガス再循環冷却器２５および２６を介してガイドされる。このとき排ガス再循環冷却器２５は、排ガス再循環装置２３を介してガイドされた排ガスを、硫黄を含有する酸の露点温度を上回る温度に冷却する。第二の排ガス再循環冷却器２６が初めて、排ガス再循環装置２３を介してガイドされた排ガスを、硫黄を含有する酸の露点温度を下回る温度に冷却する。

本発明によれば、排ガス再循環装置２３を介してガイドされた排ガスに添加剤が導入され、当該添加剤は排ガスの硫黄酸化物ＳＯ_ｘを結合させる、および／あるいは排ガスを冷却する際に生じる、硫黄を含有する酸を中和する。

図１の実施の形態において、当該添加剤２７は、排ガス再循環装置２３を介してガイドされる排ガスの流れ方向で見て、第一の排ガス再循環冷却器２５の下流で、かつ第二の排ガス再循環冷却器２６の上流において排ガスに導入される。すなわち、図１においてノズル２８を用いて導入される。

排ガスに導入された単独の添加剤または個々の添加剤２７は、排ガスの硫黄酸化物ＳＯ_ｘと、および／あるいは排ガスを冷却する際に第二の排ガス再循環冷却器２６の領域において生じる、硫黄を含有する酸と、水溶性の反応生成物と、を形成しながら反応する。当該水溶性の反応生成物は、第二の排ガス再循環冷却器２６に対して、およびそれとともに第一の排ガス再循環冷却器２５に対しても、排ガス再循環装置２３を介してガイドされる排ガスの流れ方向において後置されている液滴セパレータ２９を介して、凝縮水と共に排ガス再循環装置２３から導出され得る。図１において排ガス再循環装置２３から導出された凝縮水および当該凝縮水に溶解された、単独の添加剤または個々の添加剤と排ガスの硫黄酸化物および／あるいは硫黄を含有する酸とから生じる反応生成物は、参照番号３０で示されている。

液滴セパレータ２９の下流において排ガス再循環装置２３を介して内燃機関１１の気筒１２に向かってガイドされる排ガスは、硫黄酸化物を含んでおらず、および／あるいは硫黄を含有する酸を含んでおらず、従って送風機３１を用いて、圧縮された給気１３に問題なく添加され得る。排ガス再循環装置２３の構成ユニットおよび内燃機関１０の気筒１２が、排ガスの硫黄酸化物および硫黄を含有する酸と反応し、当該反応に関連する腐食に晒される危険はない。

添加剤２７として好ましくは、水酸化アンモニウムＮＨ_４ＯＨおよび／または炭酸アンモニウム（ＮＨ_４）_２ＣＯ_３および／または重炭酸アンモニウムＮＨ_４ＨＣＯ_３および／または水酸化ナトリウムＮａＯＨおよび／または炭酸ナトリウムＮａ_２ＣＯ_３および／または水酸化カリウムＫＯＨおよび／または炭酸カリウムＫＣＯ_２がノズル２８を介して排ガスに導入される。それぞれの添加剤は、排ガスの硫黄酸化物ＳＯ_ｘと、および／または排ガスを冷却する際に生じる、硫黄を含有する酸と反応して、水溶性かつアルカリ性の反応生成物を形成し、当該反応生成物はすでに述べたように、液滴セパレータ２９を介して、凝縮水と共に排ガス再循環装置２３から導出され得る。

以下に例としていくつかの添加剤について、個々の添加剤が排ガスの硫黄酸化物ＳＯ_ｘおよび／または硫黄を含有する酸と反応して水溶性の反応生成物を生じさせる反応連鎖を記載する。

水酸化アンモニウムＮＨ_４ＯＨが添加剤として用いられる場合、硫黄酸化物の反応は以下に例示する反応連鎖に従って水溶性の硫酸アンモニウム（ＮＨ_４）_２ＳＯ_４を生じさせる。
ＮＨ_４ＯＨ＋ＳＯ_２→ＮＨ_４ＨＳＯ_３
ＮＨ_４ＨＳＯ_３＋ＮＨ_３→（ＮＨ_４）_２ＳＯ_３
（ＮＨ_４）_２ＳＯ_３＋１／２Ｏ_２→（ＮＨ_４）_２ＳＯ_４

水酸化ナトリウムＮａＯＨが添加剤として用いられる場合、硫黄酸化物の反応は以下に例示する反応連鎖に従って、水溶性の反応生成物である硫酸ナトリウムＮａＨＳＯ_３を生じさせる。
ＳＯ_２＋Ｈ_２Ｏ→Ｈ_２ＨＳＯ_３
ＳＯ_２＋２ＮａＯＨ→Ｎａ_２ＳＯ_３＋Ｈ_２Ｏ
ＳＯ_２＋Ｎａ_２ＳＯ_３＋Ｈ_２Ｏ→２ＮａＨＳＯ_３

硫酸Ｈ_２ＳＯ_４は個々の添加剤に応じて、以下に例示する反応連鎖に従って水溶性の反応生成物を生じさせる。
Ｈ_２ＳＯ_４＋（ＮＨ_４）_２ＣＯ_３→（ＮＨ_４）_２ＳＯ_３＋ＣＯ_２＋Ｈ_２Ｏ
Ｈ_２ＳＯ_４＋２ＫＯＨ→Ｋ_２ＳＯ_４＋２Ｈ_２Ｏ
Ｈ_２ＳＯ_４＋Ｋ_２ＣＯ_３→Ｋ_２ＳＯ_４＋ＣＯ_２
Ｈ_２ＳＯ_４＋Ｎａ_２ＣＯ_３→Ｎａ_２ＳＯ_４＋ＣＯ_２＋Ｈ_２Ｏ

図１の実施の形態において、個々の添加剤を第一の排ガス再循環冷却器２５の上流においても、排ガス再循環装置２３を介してガイドされる排ガスに導入することができる。

図２は本発明の一の実施の形態を示しており、当該発明では添加剤としてアンモニアＮＨ_３がアンモニア発生器３２を介して作り出されるとともに、排ガス再循環装置２３を介してガイドされる排ガスに、第一の排ガス再循環冷却器２５の上流において導入され、アンモニア発生器３２はノズル３３を有しており、当該ノズルを介してまず尿素３４もしくは尿素水溶液が排ガスに導入され、アンモニア発生器３２はさらに加水分解触媒３５を含んでおり、それによって排ガスに導入された尿素もしくは尿素水溶液を加水分解触媒３５において水蒸気、二酸化炭素、およびアンモニアに変換する。

アンモニアはその後、排ガスの硫黄酸化物および／または硫黄を含有する酸との反応に対する添加剤として役立ち、それによって排ガスの硫黄酸化物を結合させ、および／または硫黄を含有する酸を中和し、当該反応の際、好ましくは水溶性の反応生成物が生じ、当該水溶性の反応生成物も、液滴セパレータ２９を介して凝縮水３０と共に排ガス再循環装置２３から導出され得る。

従って本発明の趣旨は、重油で作動される内燃機関１０において排ガス再循環のための
排ガス再循環装置２３を利用することであり、このとき排ガスの硫黄酸化物および／または排ガスの冷却の際に生じる、硫黄を含有する酸は結合および／または中和される。このとき添加剤の導入は、硫黄を含有する酸の露点温度を下回るように排ガスを冷却する排ガス再循環冷却器２６の上流において行われる。このとき当該排ガス再循環冷却器２６の表面は個々の添加剤と硫黄酸化物もしくは硫黄を含有する酸との有効な反応のために利用され得る。従来、重油で作動される内燃機関において排ガス再循環を利用することを許さなかった腐食の問題は、本発明によって回避され得る。したがって本発明により、重油で作動される内燃機関において、内燃機関の構成ユニットに対する腐食の危険を増大させることなく、排ガス再循環を利用することが可能となる。

１０ 内燃機関
１１ エンジン
１２ 気筒
１３ 給気
１４ 排ガス
１５ 過給機
１６ ターボ過給機
１７ ターボ過給機
１８ タービン
１９ タービン
２０ 圧縮機
２１ 圧縮機
２２ 給気冷却器
２３ 排ガス再循環装置
２４ 排ガス再循環バルブ
２５ 排ガス再循環冷却器
２６ 排ガス再循環冷却器
２７ 添加剤
２８ ノズル
２９ 液滴セパレータ
３０ 凝縮水
３１ 送風機
３２ アンモニア発生器
３３ ノズル
３４ 添加剤
３５ 加水分解触媒

Claims (11)

1. 内燃機関、すなわち重油で作動される内燃機関であって、複数の気筒（１２）を有するエンジン（１１）と、少なくとも一つのターボ過給機（１６，１７）を有する過給機（１５）と、を有する内燃機関において、
   前記気筒（１２）を出て前記過給機（１５）に供給可能である排ガス（１４）は、少なくとも一つの排ガス再循環冷却器（２５，２６）を含む排ガス再循環装置（２３）を用いて、前記過給機（１５）の上流において分岐可能であるとともに、冷却後に圧縮された給気（１３）と混合可能であり、
   前記排ガス再循環冷却器（２６）の上流において前記排ガス再循環装置（２３）を介してガイドされる前記排ガスに対して、少なくとも一つの添加剤（２７，３４）が導入可能であり、前記排ガス再循環冷却器（２６）が、硫黄を含有する酸の露点温度を下回るように前記排ガス再循環装置（２３）を介してガイドされる前記排ガスを冷却し、前記少なくとも一つの添加剤が、前記排ガスの硫黄酸化物を結合させる、および／あるいは前記排ガスを冷却する際に生じる、硫黄を含有する酸を中和することを特徴とする内燃機関。
2. 前記添加剤（２７，３４）は前記硫黄酸化物と、および／あるいは前記硫黄を含有する酸と、水溶性の反応生成物と、を形成しながら反応し、当該反応生成物は、前記排ガス再循環冷却器（２５，２６）に後置された液滴セパレータ（２９）を介して、凝縮水と共に前記排ガス再循環装置（２３）から導出可能であることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
3. 前記排ガス再循環装置（２３）は、硫黄を含有する酸の露点温度を上回る温度に排ガスを冷却する第一の排ガス再循環冷却器（２５）と、硫黄を含有する酸の露点温度を下回る温度に排ガスを冷却する第二の排ガス再循環冷却器（２６）と、を有していることを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関。
4. 前記添加剤は、前記排ガス再循環装置（２３）を介してガイドされる排ガスの流れ方向で見た場合、前記第二の排ガス再循環冷却器（２６）の上流において、かつ、前記第一の排ガス再循環冷却器（２５）の下流において、前記排ガスに導入されることを特徴とする請求項３に記載の内燃機関。
5. 前記添加剤は、前記排ガス再循環装置（２３）を介してガイドされる排ガスの流れ方向で見た場合、前記第二の排ガス再循環冷却器（２６）の上流でにおいて、かつ、前記第一の排ガス再循環冷却器（２５）の上流において前記排ガスに導入されることを特徴とする請求項３に記載の内燃機関。
6. 添加剤として、水酸化アンモニウム（ＮＨ_４ＯＨ）および／または炭酸アンモニウム（（ＮＨ４）_２ＣＯ_３）および／または重炭酸アンモニウム（ＮＨ_４ＨＣＯ_３）および／または水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）または炭酸ナトリウム（Ｎａ_２ＣＯ_３）および／または水酸化カリウム（ＫＯＨ）および／または炭酸カリウム（ＫＣＯ_２）がノズル（２８）を介して前記排ガスに導入されることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の内燃機関。
7. アンモニア（ＮＨ_３）がアンモニア発生器（３２）を介して尿素から作り出されるとともに、前記排ガスに導入され、前記アンモニア発生器（３２）は、尿素水溶液を添加剤（３４）として前記排ガスに導入するためのノズル（３３）と、前記尿素水溶液を水蒸気、二酸化炭素、およびアンモニアに変換するための加水分解触媒（３５）と、を有していることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の内燃機関。
8. 内燃機関、すなわち重油で作動される内燃機関のための排ガス再循環装置において、
   内燃機関の気筒（１２）を出る排ガス（１４）は、少なくとも一つの排ガス再循環冷却器（２５，２６）を用いて冷却可能であり、硫黄を含有する酸の露点温度を下回るように前記排ガスを冷却する前記排ガス再循環冷却器（２６）の上流において、少なくとも一つの添加剤（２７，３４）が導入可能であり、当該少なくとも一つの添加剤は前記排ガスの硫黄酸化物を結合させる、および／あるいは前記排ガスを冷却する際に生じる、硫黄を含有する酸を中和することを特徴とする排ガス再循環装置。
9. 請求項１から７のいずれか一項に記載の特徴を特徴とする請求項８に記載の排ガス再循環装置。
10. 内燃機関、すなわち重油で作動される内燃機関における排ガス再循環のための方法において、
    内燃機関の気筒を出る排ガスは、少なくとも一つの排ガス再循環冷却器を用いて冷却され、硫黄を含有する酸の露点温度を下回るように前記排ガスを冷却する前記排ガス再循環冷却器の上流において、少なくとも一つの添加剤が導入され、当該少なくとも一つの添加剤は前記排ガスの硫黄酸化物を結合させる、および／あるいは前記排ガスを冷却する際に生じる、硫黄を含有する酸を中和することを特徴とする方法。
11. 請求項１から７のいずれか一項に記載の特徴を特徴とする請求項１０に記載の方法。

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