JP2019015199A - 尿素水供給装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】簡素な構成でインジェクタの冷却を実現できる尿素水供給装置を提供する。【解決手段】尿素水供給装置１０は、発電用エンジン２３の排気ガスを浄化するために尿素水を供給する。尿素水供給装置１０は、尿素水インジェクタ１７と、尿素水が流通する尿素水流通経路６０と、清水が流通する清水供給経路６１と、尿素水流通経路６０に設けられた尿素水調量弁１４及び尿素水流量計１５と、を備える。尿素水調量弁１４及び尿素水流量計１５より下流の尿素水流通経路６０に清水供給経路６１が合流する。【選択図】図３

Description

本発明は、主として、ＳＣＲのために尿素水を噴射する尿素水供給装置に関する。詳細には、尿素水インジェクタの冷却に関する。
従来から、内燃機関、特にディーゼルエンジンの排気ガスに含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）を尿素水や軽油等の還元剤により還元して浄化する排気浄化装置として、ＳＣＲ（Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ Ｃａｔａｌｙｔｉｃ Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ）システムが良く知られている。この排気浄化装置においては、一般的に、排気通路にインジェクタから所定量の還元剤を噴射することにより、排気ガスを還元して浄化する。
ところで、排気通路に設けられたインジェクタの先端部が高温の排気ガスに晒されると、尿素水が噴射される前にインジェクタ内部で気化することで意図した噴射量が得られなかったり、インジェクタの噴射口で尿素結晶の析出や軽油の炭化等が生じて詰まりが発生したりすることがある。このような現象を防止するために、インジェクタの冷却手段を有する排気浄化装置が提案されている。特許文献１は、この種の排気浄化装置を開示する。
この特許文献１の排気浄化装置は、エンジン回転数及び燃料噴射量を用いて排気温度を算出し、算出した排気温度に基づいて、インジェクタ本体の内部に設置された空気流通路へ過給空気を導入して当該インジェクタを冷却する構成となっている。
特開２００４−２１１６３５号公報
しかし、上記特許文献１の構成は、冷却用の空気流通路をインジェクタ本体の内部に別途設ける必要があって、インジェクタの構造が複雑になり、製造時の手間及びコストの面で改善の余地があった。
本発明は以上の事情に鑑みてされたものであり、その目的は、簡素な構成でインジェクタの冷却を実現できる尿素水供給装置を提供することにある。
課題を解決するための手段及び効果
本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段とその効果を説明する。
本発明の観点によれば、以下の構成の尿素水供給装置が提供される。即ち、この尿素水供給装置は、尿素水インジェクタと、尿素水流通経路と、清水供給経路と、尿素水調量手段と、を備え、エンジンの排気ガスを浄化するために尿素水を供給する。前記尿素水流通経路は、尿素水が流通する。前記清水供給経路は、清水を前記尿素水インジェクタに供給する。前記尿素水調量手段は、前記尿素水流通経路に設けられる。前記尿素水調量手段より下流側の前記尿素水流通経路に前記清水供給経路が合流する。
これにより、必要な尿素の量は尿素水量調量手段で確保しつつ、尿素水インジェクタの冷却に必要な量の清水を供給することができる。そして、尿素水インジェクタを冷却するために、冷却系統を別途設けたり、尿素水インジェクタの構造を複雑化したりすることなく、簡単な構成で尿素水インジェクタの冷却を実現できる。
前記の尿素水供給装置において、前記清水供給経路には、清水の供給／供給停止を切り換える電磁弁と、清水の圧力を調節する調圧手段と、が設けられていることが好ましい。
これにより、必要に応じて清水をインジェクタに供給することができるとともに、供給される清水の圧力を調整することができる。
前記の尿素水供給装置において、前記清水供給経路には、清水の流量を絞るオリフィスが設けられていることが好ましい。
これにより、清水と尿素水との差圧を利用して、清水の供給量を調整することができる。
前記の尿素水供給装置において、前記清水供給経路には、清水の供給量を変更可能な調量弁と、清水の流量を計測する流量計と、が設ける構成とすることもできる。
この場合、尿素水インジェクタの冷却に必要な量の清水を正確に供給することができる。
本発明の一実施形態に係る尿素水供給装置を備える船舶の概略側面図。 排気浄化装置の構成を示す斜視図。 尿素水供給装置の主要な構成を示す模式図。 尿素水供給装置の構成を示す正面図。 変形例に係る尿素水供給装置の構成を示す模式図。
次に、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。初めに図１を参照して、本実施形態の尿素水供給装置１０を備える船舶１について説明する。図１は、船舶１の概略側面図である。
図１に示すように、本実施形態の船舶１は、船体２と、船体２の船尾側に設けられた船橋３と、当該船橋３の後方に設けられたファンネル（煙突）４と、船体２の後方下部に設けられたスクリュー５及び舵６と、を備えている。
船体２の内部には、船橋３及びファンネル４の下方に機関室２０が設けられている。機関室２０には、推進用エンジン２１と、減速機２２と、発電用エンジン２３と、発電機２４と、が配置されている。
推進用エンジン２１は、船舶１を推進するための駆動力を発生するディーゼルエンジンである。推進用エンジン２１が発生した駆動力は、減速機２２によって減速された後にスクリュー５の回転軸へ伝達される。
発電用エンジン２３は、船内で使用される電力を供給する発電機２４の駆動力を発生するディーゼルエンジンである。発電用エンジン２３で発生した排気ガスは、排気経路７を介してファンネル４から外部へ排出される。排気経路７には、排気浄化装置８が設けられている。排気浄化装置８は、推進用エンジン２１で発生した排気ガスに含まれるＮＯｘ（窒素酸化物）を選択触媒還元により浄化することができる。
発電用エンジン２３は、船舶１に１又は複数備えることができる。なお、発電用エンジン２３が複数備えられる場合、それぞれの発電用エンジン２３について排気経路７及び排気浄化装置８が設けられる。
次に、図２を参照して、排気浄化装置８について詳細に説明する。図２は、排気浄化装置８の構成を示す斜視図である。なお、以下の説明において「上流」及び「下流」とは、排気浄化装置８において排気ガスが流れる方向における上流及び下流を意味する。
図２に示すように、排気浄化装置８は、排気ガスの流れる方向の上流側から順に、第１排気管８１と、触媒経路管８２及びバイパス経路管８３と、触媒反応器８４と、第２排気管８５と、を備える。更に、排気浄化装置８は、各部を制御するための制御部５０を備える。
制御部５０は、図示しないＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ｉ／Ｏ等を備えて構成されており、ＣＰＵは、各種プログラム等をＲＯＭから読み出して実行することができる。ＲＯＭには、排気ガスの浄化に関する制御を行うための種々のプログラムやデータ等が記憶されている。
第１排気管８１は、触媒経路管８２及びバイパス経路管８３に排気ガスを導く経路を構成している。第１排気管８１の上流側端部は、発電用エンジン２３の排気マニホールドに接続されている。第１排気管８１の下流側端部は、排気経路が分岐するように、触媒経路管８２及びバイパス経路管８３とそれぞれ接続されている。
触媒経路管８２は、排気浄化装置８において選択触媒還元を行う場合に排気ガスが流れる経路を構成している。触媒経路管８２には、上流側から順に、触媒還元バルブ８６と、尿素水インジェクタ１７と、排気ガスと尿素水とを混合させる排気ミキサー８７と、が配置されている。
触媒還元バルブ８６は、触媒経路管８２の上流側に配置され、制御部５０からの信号によって開放状態と閉鎖状態とを切換可能に構成されている。
尿素水インジェクタ１７は、尿素水を排気下流側に向けて噴射可能に構成されている。噴射された尿素水に含まれる尿素は、排気ガスの熱に晒され、熱分解及び加水分解されアンモニアとなる（以下の反応式（１）及び（２）を参照）。
熱分解：（ＮＨ2）2ＣＯ → ＮＨ3＋ＨＮＣＯ ・・・（１）
加水分解：ＨＮＣＯ＋Ｈ2Ｏ → ＮＨ3＋ＣＯ2 ・・・（２）
排気ミキサー８７は、尿素水インジェクタ１７から所定距離だけ離れた下流側の第１排気管８１に配置されている。排気ミキサー８７は、内部に旋回流を発生することにより、排気ガスと霧状の尿素水（アンモニア）とを混合させる。
バイパス経路管８３は、排気浄化装置８において選択触媒還元を行わない場合に排気ガスが流れる経路を構成しており、触媒経路管８２と平行に配置されている。バイパス経路管８３には、バイパスバルブ８８が配置されている。バイパスバルブ８８は、制御部５０からの信号によって開放状態と閉鎖状態とを切換可能に構成されている。
触媒反応器８４は、耐熱金属材料により筒状（具体的には、角筒状）に形成されている。触媒反応器８４は、触媒経路管８２の下流側端部と、バイパス経路管８３の下流側端部と、の両方に接続されている。
触媒反応器８４の内部には、仕切板９１が配置されている。この仕切板９１によって、触媒反応器８４の内部空間は、触媒還元通路９２とバイパス通路９３とに区画されている。
触媒還元通路９２は、上流側の触媒経路管８２と、下流側の第２排気管８５と、を互いに接続するように配置されている。触媒還元通路９２には、上流側から順に、排気ガスに含まれるＮＯｘ（窒素酸化物）の還元を促進するＮＯｘ触媒９４と、アンモニアの酸化処理を促進する酸化触媒９５と、が直列に並べて配置されている。
ＮＯｘ触媒９４と酸化触媒９５とは、多孔質な隔壁によって仕切された多数個のセルからなるハニカム構造であって、例えば、アルミナ、ジルコニア、バナジア／酸化チタン又はゼオライト等の触媒金属を備える。
ＮＯｘ触媒９４は、尿素水インジェクタ１７により噴射された尿素水の熱分解及び加水分解で生成したアンモニアを還元剤として排気ガスに含まれるＮＯｘを選択還元する還元反応を促進し、排気ガスを浄化する（以下の反応式（３）を参照）。
ＮＯｘ触媒９４での反応：ＮＯ＋ＮＯ2＋２ＮＨ3 → ２Ｎ2＋３Ｈ2Ｏ ・・・（３）
ＮＯｘ触媒９４で過剰なアンモニアが発生した場合、酸化触媒９５は、ＮＯｘ触媒９４から流出した未反応のアンモニアの酸化反応を促進し、アンモニアを酸化させ無害な窒素に変化させる（以下の反応式（４）を参照）。
酸化触媒９５での反応：４ＮＨ3＋３Ｏ2 → ２Ｎ2＋６Ｈ2Ｏ ・・・（４）
バイパス通路９３は、上流側のバイパス経路管８３と、下流側の第２排気管８５と、を互いに接続するように配置されている。触媒還元通路９２とバイパス通路９３とが互いに隣接して配置されるので、排気ガスが当該バイパス通路９３を通過する際に、排気ガスの熱により、触媒還元通路９２側に設けられたＮＯｘ触媒９４及び酸化触媒９５を暖機することができる。これにより、排気ガスを浄化するか否かにかかわらず、ＮＯｘ触媒９４及び酸化触媒９５を常に活性化状態に維持することができるので、選択触媒還元を行わない状態から選択触媒還元を行う状態に切り換えた場合に、排気ガスの浄化効果を早期に発揮させることができる。
第２排気管８５は、触媒反応器８４の下流側に接続される。触媒反応器８４から第２排気管８５に流れた排気ガスは、上述のファンネル４を介して外部に排出される。
続いて、本実施形態の尿素水供給装置１０について、図３及び図４を参照して詳細に説明する。図３は、尿素水供給装置１０の主要な構成を示す模式図である。図４は、尿素水供給装置１０の構成を示す正面図である。
尿素水供給装置１０は、図３等に示すように、尿素水流通経路６０の上流側から順に、尿素水供給ポンプ１１と、尿素水フィルタ１２と、尿素水減圧弁１３と、尿素水調量弁１４と、尿素水流量計１５と、尿素水電磁弁１６と、尿素水インジェクタ１７と、を備える。
尿素水フィルタ１２、尿素水減圧弁１３、尿素水調量弁１４、尿素水流量計１５、及び尿素水電磁弁１６は、図４に示す供給ユニット７０にまとめて配置されている。この供給ユニット７０は、上記の弁等を取り付けることが可能なフレーム７１を備えている。
尿素水供給ポンプ１１により供給された尿素水は、尿素水流通経路６０に沿って、尿素水フィルタ１２、尿素水減圧弁１３、尿素水調量弁１４、尿素水流量計１５、尿素水電磁弁１６の順に流れ、尿素水インジェクタ１７に供給される。
尿素水供給ポンプ１１は、図示しないモータにより駆動され、尿素水タンク４０に貯留された尿素水を吸い上げるように構成されている。
尿素水フィルタ１２は、尿素水供給ポンプ１１により供給された尿素水内の異物を除去する。これにより、異物による尿素水インジェクタ１７の詰まりを防止することができる。なお、尿素水フィルタ１２は、尿素水供給ポンプ１１より上流側に設けても良い。
尿素水減圧弁１３は、尿素水供給ポンプ１１により供給された尿素水の流量にかかわらず、尿素水の圧力を一定の圧力に維持するように構成されている。
尿素水調量弁１４は、制御部５０に電気的に接続されている。尿素水調量弁１４は、制御部５０の制御指令に応じて開度を変更することにより、尿素水流通経路６０に流れる尿素水の流量を調節する。ただし、尿素水の流量の調節は、尿素水調量弁１４の開度を変更することに代えて、例えば、尿素水供給ポンプ１１を駆動する図略のモータの回転数を制御することにより行われても良い。
尿素水流量計１５は、尿素水インジェクタ１７に供給される尿素水の流量を計測する。尿素水流量計１５は制御部５０に電気的に接続されており、尿素水流量計１５で検出した尿素水の流量は制御部５０に入力される。制御部５０は、取得した流量が目標流量と一致するように尿素水調量弁１４を制御する。このフィードバック制御により、制御部５０は、尿素水インジェクタ１７に供給される尿素水の量を、尿素水調量弁１４を介して正確に制御することができる。
尿素水電磁弁１６は、制御部５０に電気的に接続され、制御部５０からの制御指令に応じて開閉することにより、尿素水インジェクタ１７に対して尿素水を供給／供給停止を切り換えることができる。
尿素水インジェクタ１７は、管状部材で構成され、尿素水を触媒経路管８２の内部に供給するものであって、先端部が触媒経路管８２の外部から内部に挿通して設けられている。
なお、図３では尿素水電磁弁１６及び尿素水インジェクタ１７は１つのみ描かれているが、実際には図４に示すように尿素水流通経路６０が２つに分岐されており、尿素水電磁弁１６及び尿素水インジェクタ１７は２つずつ配置されている。
尿素水インジェクタ１７は、尿素水と空気とを混合しながら噴射するエアアシスト式の構成となっている。尿素水は上記の尿素水流通経路６０を介して尿素水インジェクタ１７に供給され、圧縮空気は、図４に模式的に示すように供給ユニット７０に配置されているエア供給装置６５を介して尿素水インジェクタ１７に供給される。これにより、霧状に噴射される尿素水のガス化を促進して、排気ガスの浄化のための反応を効率的に行わせることができる。
このように圧縮空気が尿素水インジェクタ１７に供給されることで、圧縮空気が熱を奪う効果も期待することができる。しかしながら、尿素水インジェクタ１７の冷却を空気だけで実現しようとすると、必要な圧縮空気の流量が増加し、コストが大幅に増大してしまう。
そこで、本実施形態の尿素水供給装置１０においては、清水を用いて尿素水インジェクタ１７の冷却効果を高めている。図３を用いて具体的に説明すると、尿素水供給装置１０は、尿素水流量計１５の下流側における尿素水流通経路６０に、清水を供給する清水供給経路６１を合流させた構成となっている。
本実施形態において、清水としては、例えば港で給水された水道水を用いることができる。また、清水は、船舶１に設置されている図略の造水器によって海水を排気ガスの熱等で沸騰させ蒸留することにより作ることもできる。
図３に示すように、清水供給経路６１には、上流側から順に、清水ポンプ３１と、清水フィルタ３２と、清水減圧弁（調圧手段）３３と、オリフィス３４と、清水電磁弁３５と、が設けられている。清水フィルタ３２、清水減圧弁３３、オリフィス３４、及び清水電磁弁３５は、図４に示すように供給ユニット７０の近傍に配置された清水ユニット７５にまとめて配置されている。
清水ポンプ３１は、図示しないモータにより駆動され、清水タンク３０に貯留された清水を吸い上げるように構成されている。
清水フィルタ３２は、清水ポンプ３１により供給された清水内の異物を除去する。これにより、異物による尿素水インジェクタ１７の詰まりを防止することができる。
清水減圧弁３３は、清水供給経路６１に流れる清水の流量にかかわらず、清水の圧力を一定の圧力に維持するように構成されている。
オリフィス３４は、清水供給経路６１で流通する清水の流量を絞るように構成されている。
清水電磁弁３５は、制御部５０に電気的に接続され、制御部５０からの制御指令に応じて開閉することにより、尿素水流通経路６０に対する清水の供給／供給停止を切り換えることができる。
この構成で、清水電磁弁３５が開かれた状態で清水ポンプ３１が作動すると、清水が清水供給経路６１から尿素水流通経路６０に供給され、清水と尿素水とが混合された状態で尿素水インジェクタ１７に供給される。
このように、本実施形態では、尿素水調量弁１４と尿素水流量計１５とからなる尿素水調量手段により調量された尿素水に対して、清水を混合するように構成されている。これにより、排気ガスの浄化に必要な尿素の量を実質的に維持する一方で、追加的に供給された清水の分だけ尿素水インジェクタ１７から奪う熱の量を増加させて、尿素水インジェクタ１７を冷却することができる。また、圧縮空気と比較して安価な清水を用いて尿素水インジェクタ１７を冷却することができるので、発電用エンジン２３のランニングコストを低減することができる。更には、冷却水としての清水を混合した尿素水を尿素水インジェクタ１７から噴射させることで実質的な冷却を実現しているので、特許文献１のように冷却のための流体を通過させる特別な経路を尿素水インジェクタ１７に設ける必要がなくなり、尿素水インジェクタ１７の構成を簡素化することができる。
ところで、本実施形態の尿素水供給装置１０は、オリフィス３４の作用によって清水の流量が自動的に変化するように構成されている。具体的に説明すると、清水電磁弁３５及び尿素水電磁弁１６が開いた状態において、オリフィス３４の上流側での清水の供給圧力は、尿素水流通経路６０における尿素水の供給圧力の上限値より大きくなるように、清水減圧弁３３の２次圧力が設定されている。従って、尿素水側の圧力が高くなると、オリフィス３４の上流と下流との差圧が小さくなるので、オリフィス３４を通過して尿素水と合流する清水の量が減少する。一方、尿素水側の圧力が低くなると、オリフィス３４の上流と下流との差圧が大きくなるので、オリフィス３４を通過して尿素水と合流する清水の量が増加する。これにより、尿素水インジェクタ１７を冷却するために十分な噴射流量を確保しつつ、清水を効率的に利用することができる。
以上に説明したように、本実施形態の尿素水供給装置１０は、尿素水インジェクタ１７と、尿素水が流通する尿素水流通経路６０と、清水を尿素水インジェクタ１７に供給する清水供給経路６１と、尿素水流通経路６０に設けられた尿素水調量弁１４及び尿素水流量計１５と、を備え、発電用エンジン２３の排気ガスを浄化するために尿素水を供給する。尿素水調量弁１４及び尿素水流量計１５より下流側の尿素水流通経路６０に清水供給経路６１が合流する。
これにより、必要な尿素の量は尿素水調量弁１４及び尿素水流量計１５で確保しつつ、尿素水インジェクタ１７の冷却に必要な量の清水を供給することができる。そして、尿素水インジェクタ１７を冷却するために、冷却系統を別途設けたり、尿素水インジェクタ１７の構造を複雑化したりすることなく、簡単な構成で、尿素水インジェクタ１７の冷却を実現できる。
また、本実施形態の尿素水供給装置１０は、清水供給経路６１には、清水の供給／供給停止を切り換える清水電磁弁３５と、清水の圧力を調節する清水減圧弁３３と、が設けられている。
これにより、必要に応じて清水を尿素水インジェクタ１７に供給することができるとともに、供給される清水の圧力を調整することができる。
また、本実施形態の尿素水供給装置１０は、清水供給経路６１には、清水の流量を絞ることができるオリフィス３４が設けられている。
これにより、清水と尿素水との差圧を利用して、清水の供給量を調整することができる。
次に、上記実施形態の変形例を説明する。図５は、変形例に係る尿素水供給装置１０ａの構成を示す模式図である。なお、本実施形態の説明においては、前述の実施形態と同一又は類似の部材には図面に同一の符号を付し、説明を省略する場合がある。
本変形例の尿素水供給装置１０ａにおいては、清水の調量手段として、オリフィス３４の代わりに、清水調量弁３６と、清水流量計３７と、が設けられており、尿素水の調量とほぼ同様の手法で清水を調量するように構成されている。
具体的に説明すると、清水調量弁３６は、制御部５０の制御指示に応じて開度を変更することにより、清水供給経路６１に流れる清水の流量を変更可能に構成されている。清水流量計３７は、清水調量弁３６の下流側に設けられ、清水供給経路６１に流れる清水の流量を計測する。清水流量計３７で検出した清水の流量は制御部５０に入力され、制御部５０は、取得した流量が目標流量と一致するように、清水調量弁３６をフィードバック制御する。これにより、上述の実施形態と比較して、清水の供給量に関して一層高精度な調整を実現することができる。
以上に説明するように、本変形例の尿素水供給装置１０ａにおいて、清水供給経路６１には、清水調量弁３６と、清水流量計３７と、が設けられている。清水調量弁３６は、清水の供給量を変更可能である。清水流量計３７は、清水の流量を計測する。
これにより、尿素水インジェクタ１７の冷却に必要な量の清水を正確に供給することができる。
以上に本発明の好適な実施の形態を説明したが、上記の構成は例えば以下のように変更することができる。
清水ユニット７５は、供給ユニット７０と別に構成することに代えて、一体的に構成されても良い。
上記の実施形態では、清水供給経路６１が尿素水流通経路６０に合流する地点は、図４に示すように供給ユニット７０の内部となっている。しかしながら、供給ユニット７０の外部において、清水供給経路６１が尿素水流通経路６０に合流しても良い。
制御部５０は、発電用エンジン２３を制御する図略のＥＣＵと一体的に構成することも可能である。
尿素水インジェクタ１７は、アシストエア式に代えて、圧縮空気が供給されないエアレス式のインジェクタに変更することができる。
尿素水供給装置１０，１０ａは、上述の発電用エンジン２３に限定せず、例えば、推進用エンジン２１や、車用エンジン等に適用することもできる。
１０ 尿素水供給装置
１４ 尿素水調量弁（尿素水調量手段）
１５ 尿素水流量計（尿素水調量手段）
１７ 尿素水インジェクタ
２３ 発電用エンジン（エンジン）
６０ 尿素水流通経路
６１ 清水供給経路

Claims (4)

  1. エンジンの排気ガスを浄化するために尿素水を供給する尿素水供給装置であって、
    尿素水インジェクタと、
    尿素水が流通する尿素水流通経路と、
    清水を前記尿素水インジェクタに供給する清水供給経路と、
    前記尿素水流通経路に設けられた尿素水調量手段と、
    を備え、
    前記尿素水調量手段より下流側の前記尿素水流通経路に前記清水供給経路が合流することを特徴とする尿素水供給装置。
  2. 請求項１に記載の尿素水供給装置であって、
    前記清水供給経路には、
    清水の供給／供給停止を切り換える電磁弁と、
    清水の圧力を調節する調圧手段と、
    が設けられていることを特徴とする尿素水供給装置。
  3. 請求項１又は２に記載の尿素水供給装置であって、
    前記清水供給経路には、清水の流量を絞るオリフィスが設けられていることを特徴とする尿素水供給装置。
  4. 請求項１又は２に記載の尿素水供給装置であって、
    前記清水供給経路には、
    清水の供給量を変更可能な調量弁と、
    清水の流量を計測する流量計と、
    が設けられていることを特徴とする尿素水供給装置。
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