JP2017089652A - 内燃機関、内燃機関からの排気を浄化する方法、及び、内燃機関を修理する方法 - Google Patents

内燃機関、内燃機関からの排気を浄化する方法、及び、内燃機関を修理する方法 Download PDF

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Abstract

【課題】内燃機関、内燃機関からの排気を浄化する方法、及び、内燃機関を修理する方法を提供すること。【解決手段】内燃機関１、好ましくは、大型船用の２ストロークエンジンは、燃焼室から出る排気を処分するための排気出口２と、燃焼室に空気を導入するための空気入口３とを備える。少なくとも１つのターボチャージャ４が排気通路５によって排気出口２に接続され、ターボチャージャの高圧側、特にターボチャージャのタービンの高圧側の排気出口２の下流に、好ましくは排気通路５に、粒子フィルタ装置６が配置される。【選択図】図１

Description

本発明は、独立請求項に係る内燃機関と、内燃機関からの排気を浄化する方法と、内燃機関を修理する方法とに関する。
大気汚染法により、特に大型船の内燃機関の排気を処理することの重要性が増している。
米国特許第７３５６９８７号から、例えば、静電集塵機を有する排気ガス再循環システムで内燃機関からの排気を処理することが知られている。排気ガス再循環システムは、圧縮機の低圧側に配置され、したがって非常に場所を取り設置するのが難しい。
米国特許第７３５６９８７号
したがって、本発明の目的は、従来技術の欠点を回避し、内燃機関と、内燃機関からの排気を浄化する方法と、既存のエンジンスペースに合うのに十分小さく設置が容易な内燃機関を修理する方法とを提供することである。
その目的は、独立請求項に係る内燃機関と、内燃機関からの排気を浄化する方法と、内燃機関を修理する方法とによって成し遂げられる。
特にその目的は、燃焼室から出る排気を処分するための排気出口を備える内燃機関、好ましくは大型船用の２ストロークエンジンによって達成される。その内燃機関は、燃焼室内に空気を導入するための空気入口と、排気通路によって排気出口に接続された少なくとも１つのターボチャージャとを備えている。ターボチャージャの高圧側、特にターボチャージャのタービンの高圧側の排気出口の下流に、好ましくは排気通路内に、粒子フィルタ装置が配置されている。
そのような内燃機関は、小さな装置によって排気の調整が達成されるように、排気から特に粒子状物質を濾過する可能性に通じる。粒子フィルタ装置は、ターボチャージャの高圧側に配置されるので、より小さく造ることができる。
ターボチャージャの高圧側は、内燃機関の排気出口とターボチャージャのタービンとの間、及び、ターボチャージャの圧縮機と内燃機関の空気入口との間に配置されたすべての管路及び装置を備えている。実際、これら２つの管路の間に配置されたすべての装置は、ターボチャージャの高圧側内に含まれている。
粒子フィルタ装置は、静電集塵機、又は粒子フィルタ、又はベンチュリスクラバ、又は乾式スクラバ、又は湿式スクラバを備えることができる。代替的に又は追加的に、粒子フィルタ装置はグラスファイバを備えることができる。
静電集塵機は、微細粒子を収集することができ、これにより、内燃機関から放出された排気を浄化する。
粒子フィルタ装置はサイクロンを備えることができる。
サイクロンを適用することにより、大きく凝集した粒子を収集することができ、これにより、よりきれいな排気となる。
静電集塵機及びサイクロンの配置は、最初に静電集塵機とし、静電集塵機の下流にサイクロンとすることが好ましい。この配置は、粒子状物質が静電集塵機の収集板から離れて落下するときに、静電集塵機の収集板上に収集されていた粒子状物質をサイクロンによって収集できるようにする。任意選択で、排気の一部のみが追加的にサイクロンを通るように導かれるように、静電集塵機の下流で排気を分割することができる。
排気通路はフィルタ経路を備えることができ、フィルタ経路は、排気の一部のみが濾過されるように、粒子フィルタ装置と、標準的な経路とを備えている。
このようにして、粒子フィルタ装置の使用は、適用可能な放出規則に適合することができ、これにより、粒子フィルタ装置の寿命を増加することができる。
内燃機関は、内燃機関の排気出口と空気入口との間に配置された排気ガス再循環経路を備えることができ、粒子フィルタ装置は、排気ガスの一部のみが粒子フィルタ装置を通るように導かれるとともに空気入口内に再導入されるように、排気ガス再循環経路に配置されている。
この場合、フィルタ経路は、排気ガス再循環経路によって実現される。代替的に、粒子フィルタ装置は、すべての排気が粒子フィルタ装置を通るように導かれるとともに粒子フィルタ装置の下流で排気の一部が再循環し、好ましくは排気の一部がターボチャージャのタービンに導かれるように、排気ガス再循環経路の接続点の下流に配置することができる。
そのような配置によって、粒子状物質は、燃焼室内に導入されず、したがって、燃焼行程が最適化される。
少なくとも１つの選択的触媒反応器を、粒子フィルタ装置の下流に配置することができる。
選択的触媒反応器を使用するとＮＯｘを低減する。還元剤として、例えば尿素若しくはアンモニアを添加することができる。これにより、そのような選択的触媒反応器は、排気規制に従うことができる。
内燃機関は、２つ以上の粒子フィルタ装置、特に、選択的触媒反応器の上流にある１つの粒子フィルタ装置と、選択的触媒反応器の下流にある１つの粒子フィルタ装置とを備えることができる。そのような場合、選択的触媒反応器の上流にある第１の粒子フィルタ装置は、サイクロンのようなより大きい粒子を濾過するための粒子フィルタ装置であり、選択的触媒反応器の下流にある第２の粒子フィルタ装置は、静電集塵機のようなより小さい粒子を濾過するための粒子フィルタ装置である。
少なくとも１つの熱交換器、好ましくは冷却器を、粒子フィルタ装置の上流若しくは下流に配置することができ、又は、ターボチャージャの高圧側の排気出口の下流に、好ましくは、１つの熱交換器が粒子フィルタ装置の上流にあり、１つの熱交換器が粒子フィルタ装置の下流にある、少なくとも２つの熱交換器を配置することができる。
粒子フィルタ装置の上流若しくは下流の熱交換器、又は、粒子フィルタ装置の上流及び下流の熱交換器を使用することにより、粒子フィルタ装置を通って流れる排気の温度は、粒子フィルタ装置が最適に動作するように適合できる。追加的な熱交換器、すなわち粒子フィルタ装置の下流の熱交換器を使用することにより、粒子フィルタ装置の下流に配置された他のすべての装置に排気の温度を追加的に適合させる可能性に通じる。
粒子フィルタ装置、特に静電集塵機は、乾式集塵機又は湿式集塵機とすることができる。
乾式集塵機の利点は、乾式集塵機が水を必要とせず、したがって、水後処理機器を必要としないことである。湿式集塵機の利点は、油性粒子が集塵機を閉塞しないような集塵機の水の浄化効率である。
添加剤添加装置を、粒子フィルタ装置の上流及び／又は下流に配置することができる。
排気の浄化／濾過と、粒子フィルタ装置の機能とを最適化するために、添加剤添加装置は、排気に添加剤を添加することができる。添加剤として、固体又は液体を添加することができる。添加剤はアルカリ性とすることができる。添加剤は、ＳＯｘ及び／又はＮＯｘを低減するために使用することができる。添加剤は、石灰石（ＣａＣ）、又は石灰窯（ｌｉｍｅ ｋｉｌｎ）（ＣａＯ）、又は消石灰（Ｃａ（ＯＨ）２）、又は重炭酸ナトリウム（ＮａＨＣＯ３）、又は炭酸ナトリウム（Ｎａ２ＣＯ３）、又は苛性ソーダ（ＮａＯＨ）、又は上述した添加剤若しくはさらなる添加剤の混合物とすることができる。
添加剤添加装置は、粒子フィルタ装置の上流若しくは下流に配置された少なくとも１つのスクラバとすることができ、又は、好ましくは、１つのスクラバが粒子フィルタ装置の上流にあり、１つのスクラバが粒子フィルタ装置の下流にある、内燃機関の高圧側の排気出口の下流に配置された少なくとも２つのスクラバとすることができる。
スクラバの水中の添加剤として、苛性ソーダを使用することができる。もちろん他の添加剤も認められる。
添加剤添加装置としてスクラバを使用することにより、さらなる装置が不要となる。追加的に、スクラバは、好ましくは排気ガス再循環経路で、排気を直接浄化するために使用される。
内燃機関は、粒子フィルタ装置を浄化する浄化装置、特に、超音波浄化装置若しくは熱浄化装置を備えることができる。
浄化装置によって、粒子フィルタを浄化でき、したがって、浄化装置がない場合より長い時間使用することができる。
本発明の目的は追加的に、内燃機関、好ましくは大型船の２ストロークエンジンからの排気を浄化する方法によって達成され、この方法は、排気出口からの排気を、排気出口とターボチャージャとの間、若しくは、内燃機関の排気出口と空気入口との間に配置された粒子装置を通るように向かせるステップを含む。
その方法は、前述した内燃機関で行うことが好ましい。
高圧側の粒子フィルタ装置を使用することにより、比較的小さい装置によって排気を確実に浄化することができる。したがって、粒子フィルタ装置の特別な必要性が低下し、設置しやすくなる。
すべての排気を、粒子フィルタ装置に向かせることができる。
このようにして、すべての排気が浄化される。
粒子フィルタ装置からの排気を、特に、ターボチャージャのタービンに流入する前又は後に、選択的触媒反応器を通るように向かせることができる。このようにして、粒子状物質に加えて、ＮＯｘでさえも低減される。
粒子フィルタ装置に流入する前及び／又は後で、特に、内燃機関の排気出口と空気入口との間で、排気を冷却することができる。
このようにして、粒子フィルタ装置は最適に作動し、排気はさらに、内燃機関に排気を再導入されるための最適な温度範囲内となる。
排気の一部のみを、粒子フィルタ装置を通るように向かせることができる。
このようにして、粒子フィルタ装置は必要なときのみ使用され、したがって、その寿命が最適化される。
粒子フィルタ装置を通るように導かれた排気の一部を、排気ガス再循環経路を通って再循環し、空気入口に再導入することができる。
このようにして、燃焼室に再流入する粒子状物質が少なくなり、燃焼行程が最適化される。
特にアルカリ性の添加剤を、粒子フィルタ装置に流入する前又は後で、排気に添加することができる。添加剤は代替的に又は追加的に、石灰石（ＣａＣ）、又は石灰窯（ＣａＯ）、又は消石灰（Ｃａ（ＯＨ）２）、又は重炭酸ナトリウム（ＮａＨＣＯ３）、又は炭酸ナトリウム（Ｎａ２ＣＯ３）、又は苛性ソーダ（ＮａＯＨ）、又は上述した添加剤若しくはさらなる添加剤の混合物とすることができる。
このようにして、排気の浄化が最適化される。可能な添加剤は、水、苛性ソーダ、石灰石、石灰窯、消石灰、重炭酸ナトリウム、炭酸ナトリウム、若しくは、既に前記したように上述の添加剤の混合物である。
粒子フィルタ装置を、浄化装置、特に、超音波浄化装置又は熱浄化装置によって浄化することができる。
このようにして、フィルタを浄化でき、寿命が増加する。
本発明の目的は追加的に、内燃機関の排気出口とターボチャージャとの間、又は、内燃機関の排気出口と内燃機関の空気入口との間に粒子フィルタ装置を設置することにより内燃機関を修理する方法によって達成される。
この方法は、前述したような内燃機関へ導く。排気の粒子状物質が低減され、できるだけ小さい排気処理装置を使用することによって、公式の排気規制に従う。
以下において、実施例の図面によって本発明をさらに説明する。
第１の実施例に係る内燃機関の模式図である。 排気ガス再循環を備える、第２の実施例に係る内燃機関の模式図である。 排気ガス再循環を備える第３の実施例の模式図である。 選択的触媒反応器を備える第４の実施例の模式図である。 添加剤添加装置を備える第５の実施例の模式図である。 浄化装置を備える第６の実施例の模式図である。
図１は、内燃機関１の模式図を示している。内燃機関１はターボチャージャ４を備え、ターボチャージャ４は圧縮機４ａ及びタービン４ｂを備えている。内燃機関１は、排気出口２を備えており、排気出口２を通して、排気は燃焼室から出ることができる。以下の実施例のすべてにおいて、従来技術で通常見られるように、排気出口２を排気マニホールドに配置することもできる。排気出口２から、排気は、排気通路５の粒子フィルタ装置６を通るように導かれる。粒子フィルタ装置６を通って濾過された後、排気は、ターボチャージャ４のタービン４ｂを駆動し、その後、処分される。新鮮な空気が、ターボチャージャ４の圧縮機４ａによって圧縮された後、空気入口３を通って内燃機関１に導入される。粒子フィルタ装置６は静電集塵機及びサイクロンを備え、静電集塵機はサイクロンの上流に配置されている。排気出口２とターボチャージャ４のタービン４ｂとの間に粒子フィルタ装置６が配置されていることにより、粒子フィルタ装置６は比較的小さくなる。
図２は、内燃機関１の第２の実施例を示している。内燃機関１は、第１の実施例と同様の排気出口２を備えている。排気は、排気出口２を通り排気通路５を通るように導かれる。排気通路５は、フィルタ経路７と標準的な経路８とに分かれている。標準的な経路８は、排気をターボチャージャ４のタービン４ｂへ導く。フィルタ経路７は、排気ガス再循環経路９として組み込まれている。排気ガス再循環経路は、排気通路５からターボチャージャ４の圧縮機４ａと空気入口３との間の経路へ排気を導く。したがって、空気入口３の前で、圧縮機からの新鮮な空気を排気出口２からの排気と混合する。排気ガス再循環経路９は、粒子フィルタ装置６と、スクラバ１２と、ブロワ１４とを備えている。追加的に、粒子フィルタ装置６の前及び後に、熱交換器１１が配置されている。熱交換器１１ａは、粒子フィルタ装置６の上流に配置され、熱交換器１１ｂは、粒子フィルタ装置６の下流に配置されている。このようにして、排気の温度は、最初に粒子フィルタ装置６の必要な温度に、次いで、スクラバ１２に関して最適な温度に最適に適合し、排気は内燃機関１に再導入される。粒子フィルタ装置６は静電集塵機及びサイクロンを備えている。粒子フィルタ装置６及びスクラバ１２によって、排気は、内燃機関１に再導入される前に浄化され、それは、最適化された燃焼行程につながる。ターボチャージャ４が十分な圧力レベルを生成できないとき、ブロワ１４は、特に低負荷条件で、排気の圧力を上昇させる。
図３は、内燃機関１の第３の実施例を示している。図１及び２に示されるような最初の２つの実施例と同様に、内燃機関１は、排気出口２及び空気入口３を備えている。内燃機関１からの排気は、排気出口２を通り排気通路５を通るように導かれる。排気通路５は、粒子フィルタ装置６と、粒子フィルタ装置６の上流に配置された随意的な熱交換器１１ａとを備えている。粒子フィルタ装置６は静電集塵機及びサイクロンを備えている。粒子フィルタ装置６の下流で、排気通路５は、排気ガス再循環経路９と標準的な経路８とに分かれている。排気は、排気出口２から標準的な経路８を介して粒子フィルタ装置６を通りターボチャージャ４のタービン４ｂまで導かれる。粒子フィルタ装置６の下流で、排気ガス再循環経路９は排気を分割して内燃機関１に再導入させる。排気ガス再循環経路９は、第２の熱交換器１１ｂと、スクラバ１２と、ブロワ１４とを備えている。新鮮な空気は、ターボチャージャ４の圧縮機４ａによって圧縮され、再循環されて浄化された排気と混合され、次いで、空気入口３を通って内燃機関１に再導入される。この実施例では、図２の実施例とは反対に、すべての排気が粒子フィルタ装置６内で濾過され、排気物質が常に濾過されるようになっている。
図４は、他のすべての実施例のように排気出口２及び空気入口３を備える内燃機関１の第４の実施例を示している。排気出口２からの排気は、粒子フィルタ装置６及び随意的な選択的触媒反応器１０を備える排気通路５を通るように導かれる。選択的触媒反応器１０は、ターボチャージャ４のタービン４ｂの上流又は下流のいずれかに配置される。ターボチャージャ４は圧縮機４ａを備え、圧縮機４ａは、空気入口３を通して新鮮な圧縮空気を導入する。粒子フィルタ装置６は、排気から粒子状物質を取り除くために、静電集塵機及びサイクロンを備えている。選択的触媒反応器１０は、排気放出規制に適合するように、排気からＮＯｘを取り除く。
図５は、他のすべての実施例のように排気出口２及び空気入口３を備える内燃機関１の本発明の第５の実施例を示している。排気は、排気出口２から排気通路５を通るように導かれ、排気通路５は、粒子フィルタ装置６と、粒子フィルタ装置６の上流に配置された添加剤添加装置１５とを備えている。粒子フィルタ装置６は静電集塵機及びサイクロンを備えている。粒子フィルタ装置６からの排気は、ターボチャージャ４のタービンへ向けられる。ターボチャージャ４は圧縮機４ａを備え、圧縮機４ａは新鮮な空気を圧縮し、新鮮な空気は、圧縮後に、空気入口３を通して内燃機関１に導入される。
図６は、排気出口２及び空気入口３を有する内燃機関１を示している。内燃機関１からの排気は、排気出口２を通して排気通路５に向けられる。排気通路５は粒子フィルタ装置６を備えている。粒子フィルタ装置６を通るように導かれた後、排気は、ターボチャージャ４のタービン４ｂへ向けられる。粒子フィルタ装置６は静電集塵機を備え、静電集塵機は、浄化装置１３によって浄化することができる。浄化装置１３は、超音波浄化装置又は熱浄化装置である。追加的に、粒子フィルタ装置６は、粒子を取り除くためにサイクロンを備えている。浄化装置１３は、粒子フィルタ装置６の静電集塵機を浄化するために、他のすべての実施例に適用することができる。
１ 内燃機関
２ 排気出口
３ 空気入口
４ ターボチャージャ
４ａ 圧縮機
４ｂ タービン
５ 排気通路
６ 粒子フィルタ装置
７ フィルタ経路
８ 標準的な経路
９ 排気ガス再循環経路
１０ 選択的触媒反応器
１１ 熱交換器
１１ａ 熱交換器
１１ｂ 熱交換器
１２ スクラバ
１２ａ スクラバ
１２ｂ スクラバ
１３ 浄化装置
１４ ブロワ
１５ 添加剤添加装置

Claims (20)

  1. 燃焼室から出る排気を処分するための排気出口（２）と、
    前記燃焼室に空気を導入するための空気入口（３）と、
    排気通路（５）によって前記排気出口（２）に接続された少なくとも１つのターボチャージャ（４）と
    を備える内燃機関（１）、好ましくは、大型船用の２ストロークエンジンであって、
    前記ターボチャージャの高圧側、特に前記ターボチャージャのタービンの高圧側の前記排気出口（２）の下流に、好ましくは前記排気通路（５）に、粒子フィルタ装置（６）が配置されていることを特徴とする内燃機関（１）。
  2. 前記粒子フィルタ装置（６）は静電集塵機を備えていることを特徴とする、請求項１に記載の内燃機関（１）。
  3. 前記粒子フィルタ装置（６）はサイクロンを備えていることを特徴とする、請求項１又は２に記載の内燃機関（１）。
  4. 前記排気通路（５）はフィルタ経路（７）を備え、前記フィルタ経路（７）は、前記排気の一部のみが濾過されるように、前記粒子フィルタ装置（６）及び標準的な経路（８）を備えていることを特徴とする、請求項１から３までのいずれか一項に記載の内燃機関（１）。
  5. 前記内燃機関（１）は、前記排気出口（２）と前記空気入口（３）との間に配置された排気ガス再循環経路（９）を備え、前記排気の一部のみが前記粒子フィルタ装置（６）を通るように導かれて前記空気入口（３）に再導入されるように、前記排気ガス再循環経路（９）に前記粒子フィルタ装置（６）が配置されていることを特徴とする、請求項１から４までのいずれか一項に記載の内燃機関（１）。
  6. 前記粒子フィルタ装置（６）の下流に少なくとも１つの選択的触媒反応器（１０）が配置されていることを特徴とする、請求項１から５までのいずれか一項に記載の内燃機関（１）。
  7. 前記粒子フィルタ装置（６）の上流若しくは下流に少なくとも１つの熱交換器（１１）、好ましくは冷却器が配置され、又は、前記排気出口（２）の下流、特に、前記内燃機関の高圧側において、好ましくは、１つの熱交換器（１１ａ）が前記粒子フィルタ装置（６）の上流にあり、１つの熱交換器（１１ｂ）が前記粒子フィルタ装置（６）の下流にある、少なくとも２つの熱交換器が配置されていることを特徴とする、請求項１から６までのいずれか一項に記載の内燃機関（１）。
  8. 前記粒子フィルタ装置（６）、特に静電集塵機は、乾式集塵機又は湿式集塵機であることを特徴とする、請求項１から７までのいずれか一項に記載の内燃機関（１）。
  9. 前記粒子フィルタ装置（６）の上流及び／又は下流に添加剤添加装置（１５）が配置されていることを特徴とする、請求項１から８までのいずれか一項に記載の内燃機関（１）。
  10. 前記添加剤添加装置は、前記内燃機関（１）の高圧側において、前記粒子フィルタ装置（６）の上流若しくは下流に配置された少なくとも１つのスクラバ（１２）であるか、又は、好ましくは、１つのスクラバ（１２ａ）が前記粒子フィルタ装置（６）の上流にあり、１つのスクラバ（１２ｂ）が前記粒子フィルタ装置（６）の下流にある、前記排気出口（２）の下流に配置された少なくとも２つのスクラバであることを特徴とする、請求項９に記載の内燃機関（１）。
  11. 前記内燃機関（１）は、前記粒子フィルタ装置（６）を浄化するための浄化装置（１３）、特に、超音波浄化装置又は熱浄化装置を備えていることを特徴とする、請求項１から１０までのいずれか一項に記載の内燃機関（１）。
  12. 内燃機関、好ましくは、大型船用の２ストロークエンジンからの排気を浄化する方法であって、
    排気出口（２）とターボチャージャ（４）との間、又は、前記内燃機関（１）の排気出口（２）と空気入口（３）との間に配置された粒子フィルタ装置（６）を通るように前記排気出口（２）からの排気を向けるステップを備える方法。
  13. 前記排気のすべてが前記粒子フィルタ装置（６）を通るように向けられることを特徴とする請求項１２に記載の方法。
  14. 前記粒子フィルタ装置（６）からの前記排気は、特に前記ターボチャージャのタービンに流入する前若しくは後に、選択的触媒反応器（１０）を通るように向けられることを特徴とする請求項１２又は１３に記載の方法。
  15. 前記排気は、特に前記内燃機関（１）の前記排気出口（２）と前記空気入口（３）との間で、前記粒子フィルタ装置（６）に流入する前及び／又は後に冷却されることを特徴とする請求項１２から１４までのいずれか一項に記載の方法。
  16. 前記排気の一部のみが前記粒子フィルタ装置（６）を通るように向けられることを特徴とする請求項１２に記載の方法。
  17. 前記粒子フィルタ装置（６）からの前記排気の一部は、排気ガス再循環経路（９）を通るように再循環され、空気入口（３）に再導入されることを特徴とする請求項１６に記載の方法。
  18. 前記粒子フィルタ装置（６）に流入する前又は後に、特にアルカリ性の添加剤を前記排気に添加することを特徴とする請求項１２から１７までのいずれか一項に記載の方法。
  19. 前記粒子フィルタ装置（６）は、浄化装置（１３）、特に超音波浄化装置又は熱浄化装置によって浄化されることを特徴とする請求項１２から１８までのいずれか一項に記載の方法。
  20. 内燃機関（１）の空気出口（２）とターボチャージャ（４）との間、又は、前記内燃機関（１）の空気出口（２）と前記内燃機関（１）の空気入口（３）との間に粒子フィルタ装置（６）を設置することによって前記内燃機関（１）を修理する方法。
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