JP2011220280A

JP2011220280A - 排気ガス浄化装置

Info

Publication number: JP2011220280A
Application number: JP2010092203A
Authority: JP
Inventors: Shinji Baba; 真二馬場
Original assignee: Hitachi Zosen Corp; Hitachi Shipbuilding and Engineering Co Ltd
Current assignee: Kanadevia Corp
Priority date: 2010-04-13
Filing date: 2010-04-13
Publication date: 2011-11-04
Anticipated expiration: 2030-04-13
Also published as: JP5582854B2

Abstract

【課題】装置のサイズを小型化すると共に、燃料中に硫黄分が多く含まれる場合でも、酸性硫安等の中間生成物の吸着による脱硝触媒装置の性能低下を防止する。
【解決手段】エンジン２の排気ポート２ａに接続された排気連絡管３から排出された排気ガスを集合し、ターボチャージャー４のタービン４ａの上流側の排気通路５に導く排気マニホールド６と、排気通路５に設けられた脱硝触媒装置７とを備えた排気ガス浄化装置１において、排気マニホールド６内部に、一端８ａが排気通路５と接続され他方の開放端８ｂが排気マニホールド６内に開放された蒸発管８を設ける。さらに、蒸発管８内を通過する排気ガスに対して尿素水９ａを噴霧可能なノズル９を備えた構成とする。
【効果】排気連絡管３から排出された直後の高温の排気ガスにより排気マニホールド６の内部に設けた蒸発管８の壁面を加熱し、省スペース化を図ると共に中間生成物の発生を防止する。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関から排出される排気ガス中の窒素酸化物（以下「ＮＯx 」という。）をＳＣＲ（Selective Catalytic Reduction：選択触媒還元）等の脱硝触媒下で還元剤と反応させて還元除去する、排気ガス浄化装置に関するものである。

従来、例えばディーゼルエンジンの排気管の下流にＳＣＲ触媒を用いた脱硝反応器を介装すると共に、この脱硝反応器の上流側に高濃度の尿素と低濃度のアンモニアを含む還元剤組成物の水溶液を排気ガス中に噴霧するノズルを設け、脱硝反応器で排気ガス中のＮＯx を窒素と水に分解して無害化する技術が利用されている（例えば、特許文献１の図１）。

また、従来、例えば図６に示すような４気筒の舶用ディーゼルエンジン１０１には、排気ポート１０１ａ，１０１ｂ，１０１ｃ，１０１ｄから排出される排気ガスを集合して排気管１０３に導く排気マニホールド１０２が取り付けられている。

そして、この排気マニホールド１０２とターボチャージャー１０７のタービン１０７ａとの間の排気管１０３には、排気ガス中にアンモニア等の還元剤の水溶液又は尿素等の還元剤前駆体の水溶液を噴霧して供給するノズル１０４と、このノズル１０４から噴霧された還元剤又は還元剤前駆体の水溶液を気化又は加水分解してアンモニアガス等の還元剤を発生させるための蒸発管１０５と、排気ガス中のＮＯx を還元剤と選択的に還元反応させて浄化するＳＣＲ触媒１０６が設けられている。

このように、ＳＣＲ触媒１０６を設ける位置をタービン１０７ａの上流側としている理由は、タービン１０７ａの下流側は排気ガスの温度が下がるため、触媒性能上不利となるからである。

しかし、ターボチャージャー１０７のタービン１０７ａの上流側にＳＣＲ触媒１０６を設ける構成の場合、ディーゼルエンジン１０１の排気系では排気マニホールド１０２が大きな容積を占めている上、さらに蒸発管１０５とＳＣＲ触媒１０６を設ける必要がある。よって、これらの装置が機関室においてかなりの容積を占有することになるため、スペース効率が悪いという問題があった。

また、燃料中に硫黄分が含まれている場合、排気ガス中にＳＯ₂ が発生し、ノズル１０４からアンモニア、尿素等の水溶液を噴霧すると、蒸発管１０５の温度が低い場合は、例えば硫酸アンモニウム（（ＮＨ₄ ）₂ ＳＯ₄ ）や酸性硫安（ＮＨ₄ ＨＳＯ₄ ）などの中間成生物が発生し、この中間生成物がＳＣＲ触媒１０６上に吸着してしまい、触媒性能が低下するという問題点もあった。

特に、舶用ディーゼルエンジンでは、ガソリンよりも硫黄分を多く含んだ軽油や重油などの燃料が用いられているため、中間成生物の吸着によるＳＣＲ触媒の性能低下の問題が生じやすい。

特開２００３−２６０３３１号公報

本発明が解決しようとする問題点は、従来の排気ガス浄化装置は、排気マニホールドと蒸発管が大きな容積を占めてスペース効率が悪かった点、及び、燃料中に硫黄分が含まれる場合、硫酸アンモニウムや酸性硫安などの中間生成物が発生してＳＣＲ触媒に吸着し、触媒性能を低下させていた点である。

本発明の排気ガス浄化装置は、
エンジンの排気ポートに接続された排気連絡管から排出された排気ガスを集合し、ターボチャージャーのタービンの上流側の排気通路に導く排気マニホールドと、前記排気通路に設けられた脱硝触媒装置とを備え、
前記排気マニホールドの内部に一端が前記排気通路と接続され他方の開放端が前記排気マニホールド内に開放された蒸発管を設けると共に、前記蒸発管内を通過する排気ガスに対して還元剤、還元剤前駆体の双方または何れか一方を含む水溶液を噴霧可能なノズルを備えたことを最も主要な特徴点としている。

本発明の排気ガス浄化装置は、排気マニホールドの内部に蒸発管を設けたので、装置のサイズが小型化できる。加えて、本発明の排気ガス浄化装置では、排気連絡管から排出された直後の高温の排気ガスにより蒸発管の壁面が十分に加熱されるので、燃料中に硫黄分が多く含まれる場合でも、排気ガスが蒸発管の壁面で冷却されてしまうことがなく、硫酸アンモニウムや酸性硫安などの中間生成物の発生を防止できる。よって、本発明によれば、脱硝触媒装置への中間生成物の吸着を防止することができ、触媒性能を良好に維持できる。

本発明の排気ガス浄化装置の全体構成を示した概略図である。図１において、蒸発管が組み込まれた排気マニホールドとエンジンのシリンダヘッド付近の縦断面を示した概略図である。排気連絡管を排気ガスの排出方向に延長した範囲内に蒸発管が存在しない向きに排気連絡管を配設した、他の実施例の説明図で、（ａ），（ｂ）は排気連絡管の排気口を上方に向けて配設する場合の構成を、（ｃ）は排気連絡管の中心の位置よりも蒸発管の中心の位置を下方にずらすと共に、排気連絡管は水平方向に配設する場合の構成を示した図である。蒸発管の長手方向と直交する方向よりも開放端側に傾斜させて排気連絡管を配設した、他の実施例の説明図で、（ａ）は排気連絡管を蒸発管の側方に位置させる場合の構成を、（ｂ）は排気連絡管の排気口を蒸発管の上方に位置させる場合の構成を示した図である。脱硝処理が不要なときは脱硝触媒装置に排気を送らずにバイパスするための切換弁を備えた、他の実施例の構成を説明する図である。従来の舶用ディーゼルエンジンの構成を示す概略図である。

本発明は、エンジンの排気ガス浄化装置において、省スペース化を図ると共に、燃料中に硫黄分が含まれる場合でも、硫酸アンモニウムや酸性硫安などの中間生成物の吸着による脱硝触媒装置の性能低下を防止するという目的を、
エンジンの排気ポートに接続された排気連絡管から排出された排気ガスを集合し、ターボチャージャーのタービンの上流側の排気通路に導く排気マニホールドと、前記排気通路に設けられた脱硝触媒装置とを備え、
前記排気マニホールドの内部に一端が前記排気通路と接続され他方の開放端が前記排気マニホールド内に開放された蒸発管を設けると共に、前記蒸発管内を通過する排気ガスに対して還元剤、還元剤前駆体の双方または何れか一方を含む水溶液を噴霧可能なノズルを備えた構成とすることによって実現した。

前記本発明の排気ガス浄化装置において、
排気ガスの排出方向に延長した範囲内に前記蒸発管が存在しない向きに前記排気連絡管を配設した構成とした場合は、
排気連絡管から排出された高温の排気ガスは、蒸発管に直接当たらず排気マニホールド内を蒸発管の周方向に流れるので、蒸発管を排気連絡管の排気口に面した片側から加熱するのではなく蒸発管の外周全体を効率良く加熱できて、好適である。

また、前記本発明の排気ガス浄化装置において、
前記排気連絡管は、前記蒸発管の長手方向と直交する方向よりも前記開放端側に傾斜させて配設した構成とした場合は、
排気連絡管から排出された高温の排気ガスは、蒸発管の外側を開放端側に向けて流れるので、排気マニホールド内の排気が蒸発管の長手方向全体を加熱しつつ流れることになって、好適である。

さらに、前記本発明の排気ガス浄化装置において、
前記排気連絡管は、排気ガスの排出方向に延長した範囲内に前記蒸発管が存在しない向きに配設すると共に、前記蒸発管の長手方向と直交する方向よりも前記開放端側に傾斜させて配設した構成とした場合は、
排気連絡管から排出された高温の排気ガスは、蒸発管の外周を蒸発管の開放端側に向けて螺旋状に流れるので、蒸発管の全周及び長手方向全体を効率良く加熱しつつ排気マニホールド内の排気の流れもさらに良好となって、最も好適である。

以下、本発明を実施するための種々の形態を、図１〜図５を用いて詳細に説明する。図１において、１は、本発明を４気筒の舶用ディーゼルエンジンに適用した排気ガス浄化装置であり、エンジン２の各シリンダヘッドに設けられた排気ポート２ａに夫々接続された排気連絡管３から排出された排気ガスを集合し、ターボチャージャー４のタービン４ａの上流側の排気通路５に導く排気マニホールド６と、排気通路５に設けられた脱硝触媒装置７とを備えている。なお、５ａはタービン４ａの下流側の排気通路を、４ｂは給気通路１２ａから給気された空気を圧縮するターボチャージャー４のコンプレッサーを、１０は給気通路１２から送り込まれた圧縮空気を給気連絡管１１を介してエンジン２の各シリンダの給気ポート２ｂに分配する給気マニホールドを示している。

排気マニホールド６の内部には、一端８ａが排気通路５と接続され他方の開放端８ｂが排気マニホールド６内に開放された蒸発管８を設けると共に、排気連絡管３の排気口から排出され、前記蒸発管８内を通過する排気ガスに対し、開放端８ｂの近傍で尿素水９ａを噴霧可能な位置にノズル９を設けている。

脱硝触媒装置７には、エンジン２から排出される排気ガス中に含まれ、酸性雨や光化学スモッグなどの環境汚染の原因となるＮＯx を選択的に還元除去するＳＣＲ触媒が実装されている。ＳＣＲ触媒は、例えばアルミナ、ジルコニア、バナジア／チタニア等の金属酸化物系触媒やゼオライト系触媒など所望の触媒を使用することができ、これらの触媒を組み合わせても良い。また、ＳＣＲ触媒は、ハニカム構造を有する触媒担体に担持させても良いし、筒体に装入してケージングさせても良い。

ＳＣＲ触媒を利用して排気ガス中のＮＯx を窒素と水に分解して無害化する場合、その上流側で排気ガス中にアンモニア等の還元剤を供給する必要があるが、アンモニア水を船内に貯蔵しておくことは危険を伴う。よって、本実施例ではノズル９と接続されたタンク（不図示）に還元剤前駆体として尿素を水溶液の状態で貯蔵しておき、運転時にノズル９から尿素水９ａを蒸発管８内に噴射し、蒸発管８の熱を利用して尿素を加水分解してアンモニアを発生させるようにしている。

蒸発管８は、一端８ａが排気通路５と接続され他方の開放端８ｂが排気マニホールド６内に開放された管状の部材である。図１の実施例では、開放端８ｂの近傍に尿素水９ａを噴霧するノズル９を設けると共に、前記ノズル９の下流側に蒸発管８内の排気ガスを整流するための整流器８ｃを設け、さらに前記整流器８ｃの下流側にノズル９から噴霧された尿素水９ａが加水分解されて生じたアンモニアガスと排気ガスを蒸発管８内で十分に混合するためスタティックミキサー８ｄを設けている。

よって、図１の実施例では、排気マニホールド６の内部に、整流器８ｃ及びスタティックミキサー８ｄを備えた蒸発管８の全部が組み込まれているので、タービン４ａの上流側の排気通路５に排気マニホールドと蒸発管が併設されていた従来の装置と比較すると省スペース化が図れ、装置のサイズがコンパクトになる。

なお、一般に、ターボチャージャー４を備えたエンジン２においては、加速途中などの過渡状態ではエンジン２の出力の増大要求に対しターボチャージャー４がむしろ障害となって給気に導入遅れが生じるなど過渡応答での制御遅れが生じる場合があるが、本発明では、タービン４ａの上流側の排気通路５に排気マニホールドと蒸発管が併設されていた従来の装置と比較すると、ターボチャージャー４に至る排気の経路を短くすることができるので、排気制御も容易となる。

また、図１の実施例では、エンジン２の各シリンダの排気ポート２ａに接続された排気連絡管３の排気口に夫々対向するように、蒸発管８の長手方向が排気連絡管３の排気口の列設方向と平行となるように蒸発管８を排気マニホールド６の内部に配置している。したがって、排気連絡管３から排出された直後の高温の排気ガスにより蒸発管８の壁面が加熱されるので、燃料中に硫黄分が多く含まれる例えば舶用ディーゼルエンジンに適用する場合でも、脱硝触媒装置７の性能低下の原因となる硫酸アンモニウムや酸性硫安などの中間生成物の発生を低減でき、ＳＣＲ触媒のＮＯx 浄化性能を良好に維持できる。

次に、排気マニホールド６内に開口している排気連絡管３の排気口と蒸発管８の位置関係や排気連絡管３の配設方向について説明する。図２は、図１の実施例において、蒸発管８が組み込まれた排気マニホールド６とエンジン２のシリンダヘッド付近の縦断面を示した説明図である。２ｄは排気ポート２ａと給気ポート２ｂを備えたシリンダヘッド、２ｃはシリンダライナを備えたシリンダブロック、２ｅはクランク２ｆと連結されたピストンを示している。矢印１１ｂは、燃料噴射ノズル１１ａから気筒内に直接噴射される燃料の供給方向、矢印１１ｃはターボチャージャー４のコンプレッサー４ｂにより圧縮された空気の導入方向を示している。

図２の例では、排気連絡管３の中心と蒸発管８の中心は同じ高さ位置とされ、排気連絡管３は蒸発管８の中心に向けて配設している。この場合、排気連絡管３を排気ガスの排出方向に延長した範囲内（図中符号Ａで示した点線の範囲内）に蒸発管８が存在することになる。

よって、図２のように構成する場合は、排気連絡管３の排気口から排出された排気ガスは、矢印Ｂに示すように蒸発管８に直接当たり、その後上下に分かれて蒸発管８の裏側に進むことになる。

これに対し、図３（ａ），（ｂ）に示す実施例では、排気連絡管３の排気口３ａを上方に向けて配設している。この場合、排気連絡管３を排気ガスの排出方向に延長した範囲内（図中符号Ａで示した点線の範囲内）に蒸発管８が存在しないことになる。

また、図３（ｃ）に示す実施例では、排気連絡管３の中心の位置よりも蒸発管８の中心の位置を下方にずらすと共に、排気連絡管３は水平方向に配設している。この場合も、排気連絡管３を排気ガスの排出方向に延長した範囲内（図中符号Ａで示した点線の範囲内）に蒸発管８は存在しないことになる。

よって、図３のように構成する場合は、排気連絡管３の排気口３ａから排出された高温の排気ガスは、蒸発管８に直接当たらず、矢印Ｂに示すように蒸発管８の周方向に流れるので、蒸発管８を排気連絡管３の排気口３ａに面した片側の面のみから加熱するのではなく、蒸発管８の外周全体から効率良く加熱できて、好適である。

なお、図３（ａ）の例では、排気口３ａの開口端は排気連絡管３の長手方向と直交する向きに形成しているが、（ｂ），（ｃ）の例では、排気マニホールド６内に突出した排気連絡管３の先端部が蒸発管８の周方向に流れる排気ガスの流れを阻害しないように、排気口３ａの開口端を排気連絡管３の長手方向に対して斜めに形成すると共に（図３の例では例えば４５°にカットしている。）、この斜めにカットされた開口端の先端が排気マニホールド６の内周面側に位置するように、排気連絡管３を配設している。

図４は、蒸発管８の長手方向と直交する方向（図中点線Ｃで示した方向）よりも蒸発管８の開放端８ｂ側に傾斜させて排気連絡管３を夫々配設した、他の実施例の構成を説明する図である。排気マニホールド６のみ上下方向の中央部の位置で水平方向に切断した状態を図示している。

図４（ａ）の例では、排気連絡管３は蒸発管８の側方に位置しており、蒸発管８の長手方向と直交する方向（図中点線Ｃで示した方向）と排気連絡管３の配設方向のなす角度θは例えば３０°としている。

よって、図４（ａ）のように構成する場合は、排気連絡管３から排出された高温の排気ガスは、排気マニホールド６内において蒸発管８の外側を開放端８ｂ側に向けて図中矢印Ｄに示す方向に流れるので、蒸発管８の長手方向全体を加熱しつつ排気マニホールド６内の排気が流れて、好適である。

また、排気連絡管３を蒸発管８の開放端８ｂ側に傾斜させて配設する構成を採用する場合に、さらに排気連絡管３の排気口を蒸発管８の上方に向けて配設した場合や、例えば図４（ｂ）に示すように排気連絡管３を蒸発管８の上方の位置まで延設した場合は、排気連絡管３を排気ガスの排出方向に延長した範囲内に蒸発管８が存在しない向きに配設する構成も兼ね備えることになる。

よって、例えば図４（ｂ）のように構成する場合は、エンジン２の各シリンダの排気ポート２ａに設けた排気弁が開弁すると、排気連絡管３から排気マニホールド６内に排出された高温の排気ガスは、蒸発管８の外周を螺旋状の軌跡を描きながら開放端８ｂ側に導かれるので、蒸発管８の全周及び長手方向全体を効率良く加熱できると共に排気マニホールド６内の排気の流れも良好となる。

以上説明したように、本発明は、ターボチャージャーのタービンの上流側の排気通路に脱硝触媒装置を備えた排気ガス浄化装置において、排気マニホールドの内部に一端が排気通路と接続され他方の開放端が排気マニホールド内に開放された蒸発管を設けると共に、蒸発管内を通過する排気ガスに対して還元剤前駆体等の水溶液を噴霧可能なノズルを備えた構成としたので、従来の装置よりも省スペース化が図れると共に、蒸発管が低温にならないので、燃料中に硫黄分が多く含まれる場合でも、中間生成物の吸着による脱硝触媒装置の性能低下を防止できる。

本発明は、前記の実施例に限るものではなく、各請求項に記載の技術的思想の範囲内において、適宜実施の形態を変更しても良いことは言うまでもない。

例えば、前記の実施例では、排気連絡管３から排気マニホールド６内に排出された排気ガスを常時脱硝触媒装置７に送って脱硝処理する構成を示したが、例えば図５に示すように、ＳＣＲ触媒による脱硝処理が不要なときは脱硝触媒装置７を介さずに直接ターボチャージャーのタービン４ａ側に排気するバイパス経路１４と、排気の経路を切り換えるための切換弁１３を備えた構成としても良い。

また、前記の実施例では、蒸発管８内の排気ガスにノズル９から還元剤前駆体として尿素水９ａを噴霧する構成を開示したが、還元剤前駆体の成分はこれに限らない。また、高濃度の尿素と低濃度のアンモニアの混合水溶液やアンモニア水を使用しても良い。

本発明では、排気マニホールド６内の蒸発管８は排気連絡管３から排出された直後の高温の排気ガスによって高温に加熱されているので、ノズル９から噴霧した還元剤、還元剤前駆体の双方または何れか一方を含む水溶液は、どのような成分のものを用いた場合でも蒸発管８を通過する間に確実に気化又は加水分解される。また、蒸発管８内で生じたアンモニアガス等の気化された状態の還元剤は、ＮＯx を含む排気ガスと共に高温の状態を保ったまま脱硝触媒装置７に供給できる。

また、前記の実施例では、蒸発管８の開放端８ｂの近傍にノズル９を設ける場合の例を開示したが、ノズル９を設ける位置はこれに限らず、例えば蒸発管８の中央に設けても良い。

もっとも、ノズル９は蒸発管８の開放端８ｂの近傍に設けた方が、噴霧された尿素水９ａが高温の蒸発管８内を通過する時間を長く確保できる点で有利である。また、ノズル９を蒸発管８の開放端８ｂ近傍に設ければ、整流器８ｃやスタティックミキサー８ｄを設けるスペースも確保しやすい。

本発明の排気ガス浄化装置は、舶用ディーゼルエンジンだけではなく、自動車用ディーゼルエンジンの排気系にも適用可能である。

１排気ガス浄化装置
２エンジン
２ａ排気ポート
３排気連絡管
４ターボチャージャー
４ａタービン
５排気通路
６排気マニホールド
７脱硝触媒装置
８蒸発管
８ａ一端
８ｂ開放端
９ノズル
９ａ尿素水

Claims

エンジンの排気ポートに接続された排気連絡管から排出された排気ガスを集合し、ターボチャージャーのタービンの上流側の排気通路に導く排気マニホールドと、前記排気通路に設けられた脱硝触媒装置とを備え、
前記排気マニホールドの内部に一端が前記排気通路と接続され他方の開放端が前記排気マニホールド内に開放された蒸発管を設けると共に、前記蒸発管内を通過する排気ガスに対して還元剤、還元剤前駆体の双方または何れか一方を含む水溶液を噴霧可能なノズルを備えたことを特徴とする排気ガス浄化装置。
前記排気連絡管は、前記排気連絡管を排気ガスの排出方向に延長した範囲内に前記蒸発管が存在しない向きに配設したことを特徴とする請求項１に記載の排気ガス浄化装置。
前記排気連絡管は、前記蒸発管の長手方向と直交する方向よりも前記開放端側に傾斜させて配設したことを特徴とする請求項１又は２に記載の排気ガス浄化装置。