脱硝装置
【課題】脱硝触媒の温度を高温に維持するとともに、別途の電動機の利用を伴うことなく、エンジンへの掃気圧の低減を回避する。
【解決手段】脱硝装置２００は、タービン２５２の上流の排気ガスを導入する第１バルブ２５６を有する過給機２５０と、過給機のタービンを通過した排気ガスを還元する脱硝触媒２１４と、タービンの上流において排気路から分岐され、タービンの上流の排気ガスをタービンの下流における排気路にバイパスする第１バイパス管２１０と、排気路の第１バイパス管への分岐点から排気路への合流点の間で、第１バイパス管に導入する排気ガスの流量を調整する第２バルブ２２０と、脱硝触媒の入口の温度を検出する温度検出部２２４と、温度検出部が検出した温度に基づいて、第１バルブの開度および第２バルブの開度を調整するバルブ調整部２２６とを備える。
【解決手段】脱硝装置２００は、タービン２５２の上流の排気ガスを導入する第１バルブ２５６を有する過給機２５０と、過給機のタービンを通過した排気ガスを還元する脱硝触媒２１４と、タービンの上流において排気路から分岐され、タービンの上流の排気ガスをタービンの下流における排気路にバイパスする第１バイパス管２１０と、排気路の第１バイパス管への分岐点から排気路への合流点の間で、第１バイパス管に導入する排気ガスの流量を調整する第２バルブ２２０と、脱硝触媒の入口の温度を検出する温度検出部２２４と、温度検出部が検出した温度に基づいて、第１バルブの開度および第２バルブの開度を調整するバルブ調整部２２６とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エンジンの排ガス中に含まれる窒素酸化物を、還元剤を用いて窒素に還元する脱硝装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
船舶や、車両等のエンジンにおいて、化石燃料を燃焼させると、燃焼排ガス（排気ガス）が生じるが、この排気ガスには、窒素酸化物（以下、単にＮＯｘと称する）が含まれている。かかるＮＯｘを除去すべく排気路の下流側に脱硝装置を設ける場合がある。
【０００３】
脱硝装置としては、ＮＯｘの還元を促進する脱硝触媒と、ＮＯｘを還元するための還元剤とを含んで構成される選択式触媒還元（Selective Catalytic Reduction）脱硝装置が普及している。脱硝装置を利用して、ＮＯｘを分解する場合、排気ガスと還元剤とを混合しておき、その混合気体を脱硝触媒に流通させることにより、還元剤が排気ガス中のＮＯｘを還元（分解）する。この還元剤としてアンモニア（ＮＨ３）が考えられるが、アンモニアは、毒性が強いためアンモニアの前駆物質として尿素水が広く利用されている。したがって、脱硝触媒にアンモニアを供給するために、尿素水の導入口は、脱硝触媒の上流側に設置される。
【０００４】
一方、脱硝触媒は、所定温度（例えば、２７０℃程度）以下であるとＮＯｘの還元効率が低下してしまうという問題がある。また、排気ガスに含まれる硫黄とアンモニアとで生成される硫酸アンモニウム（以下、単に硫安と称する）が脱硝触媒を被毒してしまうおそれもあるため、脱硝触媒を硫安の分解温度以上にしておく必要がある。脱硝触媒には、排気ガスを流通させるため、排気ガスの温度が、ＮＯｘを十分に還元できる温度（以下、単に活性温度と称する）、および、硫安の分解温度（以下、単に、硫安分解温度と称する）に到達していれば、脱硝触媒を加温する必要はない。
【０００５】
しかし、エンジンの排気路に過給機のタービンを備える構成を採る場合、排気ガスの熱がタービンで消費されるため、タービンの下流の排気ガスの温度が、脱硝触媒の活性温度、および、硫安分解温度に到達しないことがある。そこで、脱硝装置において脱硝触媒を活性温度または硫安分解温度に維持しておくための技術として、過給機のタービンの上流の排気ガスを分流し、分流した分流排気ガスを脱硝触媒に導入することで、脱硝触媒の温度を高温にし、硫安の生成を防止する技術が開示されている（例えば、特許文献１）。
【０００６】
しかし、上述した特許文献１の技術を利用すると、過給機のタービンの上流の排気ガスの流量が減少してタービンの回転数が低減し、タービンの回転を利用してエンジンに掃気を行う圧縮機の出力が落ちてしまう。そこで、過給機の圧縮機に別途電動機を備えることで、タービンの上流の排気ガスをバイパスしている間、その電動機で圧縮機を加勢し、掃気圧を維持する技術が開示されている（例えば、特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許第２９１５６８７号
【特許文献２】特開２０１０−１８５３４９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、上述した特許文献２の技術では、電動機を駆動させるための電力が必要となり、エンジン系全体の効率が悪くなってしまう。また、電動機を設置するためのスペースを別途確保する必要がある。
【０００９】
さらに、電動機を圧縮機に近づけすぎると、圧縮機の吸気口を電動機が塞いでしまう結果となり、圧縮機からエンジンへの掃気が困難になる可能性があるため、電動機と圧縮機とはある程度離隔させて設置する必要がある。この場合、電動機と圧縮機を繋ぐ回転軸を長くしなければならず、長い回転軸を設置するための、さらなるスペースが必要となる。また、回転軸を長くすると、回転軸の回転によって振動が生じるおそれもある。
【００１０】
本発明は、このような課題に鑑み、脱硝触媒の温度を活性温度、および、硫安分解温度に維持するとともに、別途の電動機の利用を伴うことなく、エンジンへの掃気圧の低減を回避することが可能な脱硝装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するために、本発明の脱硝装置は、エンジンの排気路に設けられたタービンにタービンの上流の排気ガスを導入する第１バルブを有し、タービンの回転を利用してエンジンに空気を導入する過給機と、過給機のタービンを通過した排気ガスを還元する脱硝触媒と、タービンの上流において排気路から分岐され、タービンの上流の排気ガスをタービンの下流における排気路にバイパスする第１バイパス管と、排気路における第１バイパス管への分岐点から排気路への合流点の間で、第１バイパス管に導入する排気ガスの流量を調整する第２バルブと、脱硝触媒の入口の温度を検出する温度検出部と、温度検出部が検出した温度に基づいて、第１バルブの開度および第２バルブの開度を調整するバルブ調整部とを備えることを特徴とする。
【００１２】
上記バルブ調整部は、第２バルブの開度を大きくするとき、第１バルブの開度を小さくしてもよい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明は、脱硝触媒の温度を活性温度、および、硫安分解温度に維持するとともに、別途の電動機の利用を伴うことなく、エンジンへの掃気圧の低減を回避することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】脱硝システムを説明するための説明図である。
【図２】２ストロークエンジンにおけるエンジン負荷と排気ガスの温度との関係を説明するための説明図である。
【図３】過給機による掃気圧と、エンジン負荷の関係を説明するための説明図である。
【図４】タービンの第１バルブを説明するための説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。
【００１６】
コンテナ船やタンカー等の大型船舶では、熱効率がよく、低質燃料油（重油）が使用できるためコスト面で有利である、ユニフロー型の２サイクルエンジン（２ストロークエンジン）が広く使用されている。このようなエンジンにおいて、化石燃料、例えば、ガソリン、軽油、重油、液化天然ガス（ＬＮＧ：Liquefied Natural Gas）、および液化石油ガス（ＬＰＧ：Liquefied Petroleum Gas）等の燃料を燃焼させると、その結果生じる排気ガスには、ＮＯｘが含まれる。以下、エンジンから排出される排気ガス中のＮＯｘを還元する脱硝システム１００について説明する。なお、以下の実施形態においては、脱硝システム１００に用いるエンジンとしてユニフロー型の２ストロークエンジンを例に挙げて説明するが、他の形式の２ストロークエンジン等に脱硝システム１００を採用することもできる。
【００１７】
（脱硝システム１００）
図１は、本実施形態にかかる脱硝システム１００を説明するための説明図である。図１に示すように、脱硝システム１００は、エンジン１１０と、脱硝装置２００とを含んで構成される。図１中、物質（排気ガス、還元剤）の流れを実線で示し、信号の流れを破線で示す。
【００１８】
エンジン１１０は、シリンダ１１０ａと、ピストン１１０ｂと、排気弁１１０ｃと、排気集合管１１２とを含んで構成される。エンジン１１０は、掃気、圧縮、燃焼、排気といった行程を通じて、クロスヘッド（図示せず）に連結されたピストン１１０ｂがシリンダ１１０ａ内を摺動自在に、図１中白抜き矢印に示す方向に往復移動する。このようなクロスヘッド型のピストン１１０ｂでは、シリンダ１１０ａ内でのストロークを比較的長く形成することができ、ピストン１１０ｂに作用する側圧をクロスヘッドが受けるため、２ストロークエンジンの高出力化を図ることができる。さらに、シリンダ１１０ａとクロスヘッドが収まるクランク室とが隔離されるので、低質燃料油を用いる場合においても汚損劣化を防止することができる。排気集合管１１２は、エンジン１１０に設けられた複数の排気弁１１０ｃそれぞれを通じてシリンダ１１０ａと連通する複数の排気路を集約する。
【００１９】
脱硝装置２００は、排気集合管１１２から排出された排気ガスＸ１にアンモニアを作用させることで、排気ガスＸ１中に含まれるＮＯｘを窒素に還元する。
【００２０】
このように、エンジン１１０から排出された排気ガスＸ１は、脱硝装置２００に導入され、ＮＯｘが還元されて、排気ガスＸ２として外部に排出される。以下、本実施形態にかかる脱硝装置２００について詳細に説明する。
【００２１】
（脱硝装置２００）
本実施形態にかかる脱硝装置２００では、排気ガスＸ１に還元剤を導入し、還元剤の導入位置の下流にある脱硝触媒で、排気ガスＸ１中に含まれるＮＯｘを還元して窒素を生成する選択式触媒還元方式を採用している。
【００２２】
図１に示すように、脱硝装置２００は、第１バイパス管２１０と、第１還元剤導入部２１２と、脱硝触媒２１４と、過給機２５０と、ＮＯｘ検出部２１６と、還元剤調整部２１８と、第２バルブ２２０と、第２還元剤導入部２２２と、温度検出部２２４と、バルブ調整部２２６とを含んで構成される。
【００２３】
第１バイパス管２１０は、過給機２５０のタービン２５２の上流において排気路２０２ａから分岐され、タービン２５２の上流の排気ガスＸ１をタービン２５２の下流における排気路２０２ｂにバイパスする。
【００２４】
第１還元剤導入部２１２は、排気路２０２ａから第１バイパス管２１０への分岐点Ｐから排気路２０２ｂへの合流点Ｑの間で、第１バイパス管２１０に還元剤（尿素水）を導入（噴霧）する。本実施形態において第１還元剤導入部２１２は、第１バイパス管２１０における、後述する第２バルブ２２０の下流側に尿素水を導入する。
【００２５】
なお、第１還元剤導入部２１２による尿素水の導入位置および第２バルブ２２０の位置は、第１バイパス管２１０において、可能な限り上流であることが好ましい。例えば、タービン２５２の上流の排気ガスＸ１の温度が２７０℃であって、２７０℃で尿素水を気化、分解するためには１秒を要し、排気ガスＸ１の流速が、１０ｍ／秒であるとすると、尿素水を気化、分解するためには、１０ｍの流路が必要となる。したがって、第１還元剤導入部２１２による尿素水の導入位置および第２バルブ２２０の位置を、第１バイパス管２１０における可能な限り上流にすることにより、尿素水を気化、分解するための時間（配管の長さ）を稼ぐことができ、脱硝装置２００までの配管の長さを無駄に長くする必要がなくなる。
【００２６】
脱硝触媒２１４は、バナジウム、タングステン、モリブデン等の金属またはその酸化物と酸化チタン等で構成され、過給機２５０のタービン２５２を通過した排気ガスＸ１中のＮＯｘを還元する。
【００２７】
上述したように、大型船舶では、ユニフロー型の２ストロークエンジンが広く採用されているが、２ストロークエンジンは、４ストロークエンジンと比較して、高効率であり燃料に対する空気の割合が高いので排気ガスの温度が低い場合が多い。したがって、エンジン１１０としてユニフロー型の２ストロークエンジンを採用し、エンジン１１０の排気路に過給機２５０のタービン２５２を備える構成を採る場合、排気ガスＸ１の熱がタービン２５２で消費されるため、タービン２５２の下流の排気ガスＸ１の温度が、脱硝触媒２１４の活性温度、および、硫安分解温度に到達しないことがある。
【００２８】
図２は、２ストロークエンジンにおけるエンジン負荷と排気ガスＸ１の温度との関係を説明するための説明図である。図２中、タービン２５２の入口の排気ガスＸ１の温度を実線で、タービン２５２の出口の排気ガスＸ１の温度を破線で示す。
【００２９】
図２に示すように、エンジン負荷が高いと、タービン２５２の仕事量が増加し、すなわち、タービン２５２において排気ガスＸ１の熱が消費されてしまうため、タービン２５２の出口の排気ガスＸ１の温度が低下する。例えば、エンジン負荷が２５％から７５％と上昇するにつれて、タービン２５２の仕事量が増加するため、タービン２５２出口の排気ガスＸ１の温度は徐々に低下して２５０℃程度となり、７５％を超えても、２５０℃程度に留まる。したがって、エンジン負荷が６７％を超えると、尿素水の気化、分解に必要な温度である２７０℃を下回ってしまう。
【００３０】
ここで、タービン２５２の出口と脱硝触媒２１４とは、距離が近いため、タービン２５２の出口（下流）の排気ガスＸ１の温度を、脱硝触媒２１４の入口の温度とみなすことができる。したがって、タービン２５２の下流の排気ガスＸ１の温度が低下し、すなわち、脱硝触媒２１４の温度が低下し、活性温度、および、硫安分解温度（例えば、２７０℃程度）に達していないと、脱硝触媒２１４がＮＯｘを十分に還元できない。
【００３１】
本実施形態では、脱硝装置２００に、上述した第１バイパス管２１０を設けておき、タービン２５２の上流の温度の高い排気ガスＸ１を脱硝触媒２１４の直前にバイパスさせることにより、脱硝触媒２１４の温度を上昇させることができる。したがって、第１バイパス管２１０の配管径や、第１バイパス管２１０でバイパスさせる排気ガスＸ１の流量を適切に調整することで、脱硝触媒２１４の温度を、活性温度、および、硫安分解温度に到達させることができ、脱硝触媒２１４における硫安の生成を防止することが可能となる。
【００３２】
しかし、第１バイパス管２１０でタービン２５２の上流の排気ガスＸ１をタービン２５２の下流に単にバイパスさせるだけでは、タービン２５２の上流の排気ガスＸ１の流量が減少してタービン２５２の回転数が低減し、タービン２５２の回転を利用してエンジン１１０に掃気を行う圧縮機２５４の出力、すなわち掃気圧が落ちる。
【００３３】
図３は、過給機による掃気圧と、エンジン負荷の関係を説明するための説明図である。図３に示すように、エンジン負荷が上昇するに従って、過給機の掃気圧が上昇している。すなわち、エンジン負荷を上昇させるためには、掃気圧も上昇させる必要がある。しかし、第１バイパス管２１０でタービン２５２の上流の排気ガスＸ１をタービン２５２の下流にバイパスさせると、タービン２５２の回転数が低減し、それに伴って掃気圧が低下するため、エンジン負荷を上昇させることができなくなる、またが上昇させることができたとしてもエンジンが高温になってしまい、エンジンの正常な動作に影響を与えてしまう。
【００３４】
具体的に説明すると、掃気圧が低下すると掃気量（空気量）が減少するが、所定の出力を得るための燃料量はほとんど変化しない。このため、燃焼温度が上昇し、シリンダ１１０ａを構成するシリンダヘッドやシリンダライナ、排気弁１１０ｃ、ピストン１１０ｂ、ピストン１１０ｂを構成するピストンリングといった燃焼室を構成する部品の温度が上昇してしまう。
【００３５】
そして燃焼室を構成する部品の温度が上昇すると、部品の材料強度の低下、摺動部（シリンダ１１０ａ、ピストン１１０ｂ、排気弁１１０ｃ）の摩耗の促進、熱膨張による部品の変形、部品のシール不良（ガスがリークしてしまう）等が生じるおそれがある。そこで、燃焼室を構成する部品を、耐熱性の高い材料で製作することが考えられるがコスト高になってしまう。また、部品を冷却する構成も考えられるが、装置が大がかりとなったり、大幅な設計変更を強いられることになってしまう。
【００３６】
また、掃気圧が低下すると掃気量（空気量）が減少するため、空気不足によって燃焼状態が悪化し（燃料が十分に酸化されず）、煤等の未燃焼成分が増加してしまう。
【００３７】
過給機２５０は、タービン２５２と、タービン２５２と同軸の圧縮機２５４とを含んで構成される。タービン２５２は、エンジン１１０から排出された排気ガスＸ１によって回転し、圧縮機２５４は、タービン２５２の回転を利用し、外部から導入される活性ガス（酸素、オゾン等の酸化剤、または、その混合気（例えば空気））を圧縮してエンジン１１０への掃気圧を高める。こうすることで、エンジン１１０の出力を向上させることができる。
【００３８】
また、本実施形態のタービン２５２は、タービン２５２の上流の排気ガスＸ１を導入する第１バルブ２５６を有している。つまり、本実施形態にかかる過給機２５０は、可変容量過給機である。なお第１バルブ２５６の開度（流量）は、後述する第２バルブ２２０が閉になっている間、例えば、図３に示した、エンジン負荷と掃気圧の関係となるような開度（設定値）となっている。
【００３９】
図４は、タービン２５２の第１バルブ２５６を説明するための説明図であり、図４（ａ）、（ｂ）は、タービン２５２を上流側から見た図であり、図４（ｃ）は、第１バルブ２５６の開度に応じたタービン２５２に流入する排気ガスＸ１の流量と圧力比との関係を説明するための説明図である。図４（ｃ）において、縦軸は圧力比πｔを示し、横軸は、タービン修正流量を示す。ここで、Ｗはタービンを流れるガスの流量（ｋｇ／ｓ）を、Ｔ３はタービン入口温度（Ｋ）を、Ｐ３はタービン入口圧力（Ｐａ）を、Ｐ４はター分出口圧力（Ｐａ）をそれぞれ示す。
【００４０】
図４（ｃ）に示すように、図４（ａ）に示すようなタービン２５２の第１バルブ２５６の開度が小さい場合には、図４（ｂ）に示すようなタービン２５２の第１バルブ２５６の開度が大きい場合と比較して、タービン２５２を構成する翼部（インペラ）に流入する排気ガスＸ１の圧力が高くなる。つまり、第１バルブ２５６の開度を小さくする（絞る）と、翼部に流入する排気ガスＸ１の圧力が上昇し、翼部の回転数が上がる。
【００４１】
ＮＯｘ検出部２１６は、タービン２５２の上流における排気ガスＸ１のＮＯｘの濃度を検出する。ここで、ＮＯｘ濃度は、エンジン負荷と相関があるので、ＮＯｘ検出部２１６は、実際のＮＯｘ濃度を測定せずとも、エンジン負荷からＮＯｘ濃度を推定してもよい。
【００４２】
還元剤調整部２１８は、ＮＯｘ検出部２１６が検出したＮＯｘの濃度、および、後述するバルブ調整部２２６による第２バルブ２２０の開度（流量）に基づいて、第１還元剤導入部２１２が導入する尿素水の量および第２還元剤導入部２２２が導入する尿素水の量を調整する。
【００４３】
ＮＯｘ検出部２１６および還元剤調整部２１８を備える構成により、排気ガスＸ１中のＮＯｘが少ないときに無駄に尿素水を導入してしまい、脱硝触媒２１４においてアンモニアが酸化されずに、外部に排出してしまう事態を回避することができ、ＮＯｘが多いときにそのＮＯｘを還元するために必要な量の尿素水を導入することが可能となる。
【００４４】
第２バルブ２２０は、排気路２０２ａにおける第１バイパス管２１０への分岐点Ｐから排気路２０２ｂへの合流点Ｑの間に配置される。第２バルブ２２０の開度は、バルブ調整部２２６によって調整され、バルブ調整部２２６は、第１バイパス管２１０に導入する排気ガスＸ１の流量を調整する。
【００４５】
第２還元剤導入部２２２は、排気路２０２ｂにおける合流点Ｑの下流に尿素水を導入（噴霧）する。本実施形態において、第２還元剤導入部２２２は、バルブ調整部２２６による制御に応じて、第２バルブ２２０が閉となっている期間、すなわち、排気ガスＸ１全量がタービン２５２を通過している期間のみ合流点Ｑの下流に尿素水を導入する。
【００４６】
温度検出部２２４は、脱硝触媒２１４の入口の温度を検出する。図２を参照して理解できるように、タービン２５２の出口の排気ガスＸ１の温度とエンジン負荷には相関性があるため、温度検出部２２４は、実際の脱硝触媒２１４の入口の温度を測定せずとも、エンジン負荷、例えば、エンジン負荷が６７％以上であると、脱硝触媒２１４の入口の温度が２７０℃を下回る等、エンジン負荷から温度を推定してもよい。
【００４７】
表１は、エンジン負荷とクランクの回転数との関係を示す表である。表１に示すように、エンジン負荷とクランクの回転数との間には相関関係があるため、温度検出部２２４は、実際の脱硝触媒２１４の入口の温度を測定せずとも、クランクの回転数からエンジン負荷を推定し、推定したエンジン負荷から温度を推定してもよい。すなわち、クランクの回転数から脱硝触媒２１４の入口の温度を一意に求めることができる。
【表１】
【００４８】
バルブ調整部２２６は、温度検出部２２４が検出した温度に基づいて、第２バルブ２２０の開度を調整し、それに伴って第１バルブ２５６の開度も調整する。具体的に、バルブ調整部２２６は、温度検出部２２４が検出した温度に基づいて第１バイパス管２１０に設けられた第２バルブ２２０の開度を大きくするとき、過給機２５０のタービン２５２に設けられた第１バルブ２５６の開度を小さくし、逆に、第２バルブ２２０の開度を小さくするとき、過給機２５０のタービン２５２に設けられた第１バルブ２５６の開度を大きくする。
【００４９】
エンジン負荷が高く、タービン２５２の下流の排気ガスＸ１の温度が低下し、脱硝触媒２１４の入口の温度が、活性温度、および、硫安分解温度に達していない場合には、第１バイパス管２１０を介して、タービン２５２の上流の高温の排気ガスＸ１をバイパスさせて、脱硝触媒２１４を加温する必要がある。
【００５０】
そこで、バルブ調整部２２６は、温度検出部２２４が検出した温度が、脱硝触媒２１４の活性温度未満、かつ、硫安分解温度未満であると判定したときに、第２バルブ２２０の開度を調整して、バイパスさせる高温の排気ガスＸ１の流量を調整する。これにより、脱硝触媒２１４の温度を、活性温度、および、硫安分解温度に到達させることができ、排気ガスＸ１中に含まれるＮＯｘを確実に還元することが可能となる。
【００５１】
しかし、上述したように、脱硝触媒２１４を加温するために、バルブ調整部２２６が第２バルブ２２０の開度を大きくして、第１バイパス管２１０への排気ガスＸ１の流量を増加させると、過給機２５０のタービン２５２の上流の排気ガスＸ１の流量が減少してタービンの回転数が低減してしまう。
【００５２】
そこで、バルブ調整部２２６は、第２バルブ２２０の開度を大きくするとき、すなわち、タービン２５２の上流の排気ガスＸ１の流量が低下するとき、過給機２５０のタービン２５２に設けられた第１バルブ２５６の開度を小さくする。そうすると、上述したように、タービン２５２の翼部の回転数が上がり、タービン２５２の上流の排気ガスＸ１の流量が低下することによって下がってしまう圧縮機２５４の掃気圧を所望の値に維持することができる。
【００５３】
また、バルブ調整部２２６は、第２バルブ２２０の開度を小さくするとき、すなわち、タービン２５２の上流の排気ガスＸ１の流量が低下しないとき、第１バルブ２５６の開度を大きくして、設定値に近づける。そうすると、タービン２５２を排気ガスＸ１が十分に通過するため、圧縮機２５４の掃気圧を所望の値に維持することができる。
【００５４】
これにより、エンジン１１０への掃気圧が低下して、エンジン負荷が下降してしまう、または、エンジン１１０が高温になってしまう事態を回避することができる。
【００５５】
また、エンジン負荷が低く、脱硝触媒２１４の温度が、活性温度、および、硫安分解温度に達していれば、タービン２５２の上流の排気ガスＸ１を第１バイパス管２１０に通過させる必要はない。そこで、バルブ調整部２２６は、第１バイパス管２１０で高温の排気ガスＸ１をバイパスさせずとも、脱硝触媒２１４の活性温度以上とみなせる温度（例えば、２７０℃よりも１００℃高い３７０℃）であると判定したときに、第２バルブ２２０を閉にして、タービン２５２の上流の高温の排気ガスＸ１をバイパスさせない。また、バルブ調整部２２６は、第１バルブ２５６の開度を設定値に戻す。上流の排気ガスＸ１をバイパスさせないと、タービン２５２を排気ガスＸ１が十分に通過するため、タービン２５２を通過する排気ガスＸ１の流量が低下して圧縮機２５４の出力が低下してしまう事態を回避することが可能となる。
【００５６】
また、バルブ調整部２２６は、温度検出部２２４が検出した温度が、アンモニアを分解してしまうような高温である場合、第２バルブ２２０を閉にして、タービン２５２の上流の高温の排気ガスＸ１をバイパスさせない。これにより、タービン２５２の上流の排気ガスＸ１があまりにも高温であり、この排気ガスＸ１をバイパスさせることで、脱硝触媒２１４の温度が上昇しすぎてしまい、アンモニアを分解しＮＯｘの分解効率が低下してしまう事態を回避することができる。
【００５７】
なお、バルブ調整部２２６が第２バルブ２２０を閉にしている間、還元剤調整部２１８は、第１還元剤導入部２１２に尿素水の導入を停止させ、ＮＯｘ検出部２１６が検出したＮＯｘの濃度に基づいて、第２還元剤導入部２２２が導入する尿素水の量を調整する。
【００５８】
以上説明したように、本実施形態にかかる脱硝装置２００によれば、脱硝触媒２１４の温度に応じて、タービン２５２の上流の排気ガスＸ１のバイパス量を調整し、このバイパス量の調整具合に基づいて、圧縮機２５４の掃気圧が低下しないようにタービン２５２の第１バルブ２５６の開度を調整することになる。したがって、脱硝触媒２１４の温度を活性温度、および、硫安分解温度に維持するとともに、別途の電動機の利用を伴うことなく、エンジン１１０への掃気圧の低減を回避することが可能となる。
【００５９】
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【産業上の利用可能性】
【００６０】
本発明は、エンジンの排ガス中に含まれる窒素酸化物を、還元剤を用いて窒素に還元する脱硝装置に利用することができる。
【符号の説明】
【００６１】
２００ …脱硝装置
２１０ …第１バイパス管
２１４ …脱硝触媒
２１６ …ＮＯｘ検出部
２２０ …第２バルブ
２２４ …温度検出部
２２６ …バルブ調整部
２５０ …過給機
２５２ …タービン
２５４ …圧縮機
２５６ …第１バルブ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エンジンの排ガス中に含まれる窒素酸化物を、還元剤を用いて窒素に還元する脱硝装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
船舶や、車両等のエンジンにおいて、化石燃料を燃焼させると、燃焼排ガス（排気ガス）が生じるが、この排気ガスには、窒素酸化物（以下、単にＮＯｘと称する）が含まれている。かかるＮＯｘを除去すべく排気路の下流側に脱硝装置を設ける場合がある。
【０００３】
脱硝装置としては、ＮＯｘの還元を促進する脱硝触媒と、ＮＯｘを還元するための還元剤とを含んで構成される選択式触媒還元（Selective Catalytic Reduction）脱硝装置が普及している。脱硝装置を利用して、ＮＯｘを分解する場合、排気ガスと還元剤とを混合しておき、その混合気体を脱硝触媒に流通させることにより、還元剤が排気ガス中のＮＯｘを還元（分解）する。この還元剤としてアンモニア（ＮＨ３）が考えられるが、アンモニアは、毒性が強いためアンモニアの前駆物質として尿素水が広く利用されている。したがって、脱硝触媒にアンモニアを供給するために、尿素水の導入口は、脱硝触媒の上流側に設置される。
【０００４】
一方、脱硝触媒は、所定温度（例えば、２７０℃程度）以下であるとＮＯｘの還元効率が低下してしまうという問題がある。また、排気ガスに含まれる硫黄とアンモニアとで生成される硫酸アンモニウム（以下、単に硫安と称する）が脱硝触媒を被毒してしまうおそれもあるため、脱硝触媒を硫安の分解温度以上にしておく必要がある。脱硝触媒には、排気ガスを流通させるため、排気ガスの温度が、ＮＯｘを十分に還元できる温度（以下、単に活性温度と称する）、および、硫安の分解温度（以下、単に、硫安分解温度と称する）に到達していれば、脱硝触媒を加温する必要はない。
【０００５】
しかし、エンジンの排気路に過給機のタービンを備える構成を採る場合、排気ガスの熱がタービンで消費されるため、タービンの下流の排気ガスの温度が、脱硝触媒の活性温度、および、硫安分解温度に到達しないことがある。そこで、脱硝装置において脱硝触媒を活性温度または硫安分解温度に維持しておくための技術として、過給機のタービンの上流の排気ガスを分流し、分流した分流排気ガスを脱硝触媒に導入することで、脱硝触媒の温度を高温にし、硫安の生成を防止する技術が開示されている（例えば、特許文献１）。
【０００６】
しかし、上述した特許文献１の技術を利用すると、過給機のタービンの上流の排気ガスの流量が減少してタービンの回転数が低減し、タービンの回転を利用してエンジンに掃気を行う圧縮機の出力が落ちてしまう。そこで、過給機の圧縮機に別途電動機を備えることで、タービンの上流の排気ガスをバイパスしている間、その電動機で圧縮機を加勢し、掃気圧を維持する技術が開示されている（例えば、特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許第２９１５６８７号
【特許文献２】特開２０１０−１８５３４９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、上述した特許文献２の技術では、電動機を駆動させるための電力が必要となり、エンジン系全体の効率が悪くなってしまう。また、電動機を設置するためのスペースを別途確保する必要がある。
【０００９】
さらに、電動機を圧縮機に近づけすぎると、圧縮機の吸気口を電動機が塞いでしまう結果となり、圧縮機からエンジンへの掃気が困難になる可能性があるため、電動機と圧縮機とはある程度離隔させて設置する必要がある。この場合、電動機と圧縮機を繋ぐ回転軸を長くしなければならず、長い回転軸を設置するための、さらなるスペースが必要となる。また、回転軸を長くすると、回転軸の回転によって振動が生じるおそれもある。
【００１０】
本発明は、このような課題に鑑み、脱硝触媒の温度を活性温度、および、硫安分解温度に維持するとともに、別途の電動機の利用を伴うことなく、エンジンへの掃気圧の低減を回避することが可能な脱硝装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するために、本発明の脱硝装置は、エンジンの排気路に設けられたタービンにタービンの上流の排気ガスを導入する第１バルブを有し、タービンの回転を利用してエンジンに空気を導入する過給機と、過給機のタービンを通過した排気ガスを還元する脱硝触媒と、タービンの上流において排気路から分岐され、タービンの上流の排気ガスをタービンの下流における排気路にバイパスする第１バイパス管と、排気路における第１バイパス管への分岐点から排気路への合流点の間で、第１バイパス管に導入する排気ガスの流量を調整する第２バルブと、脱硝触媒の入口の温度を検出する温度検出部と、温度検出部が検出した温度に基づいて、第１バルブの開度および第２バルブの開度を調整するバルブ調整部とを備えることを特徴とする。
【００１２】
上記バルブ調整部は、第２バルブの開度を大きくするとき、第１バルブの開度を小さくしてもよい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明は、脱硝触媒の温度を活性温度、および、硫安分解温度に維持するとともに、別途の電動機の利用を伴うことなく、エンジンへの掃気圧の低減を回避することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】脱硝システムを説明するための説明図である。
【図２】２ストロークエンジンにおけるエンジン負荷と排気ガスの温度との関係を説明するための説明図である。
【図３】過給機による掃気圧と、エンジン負荷の関係を説明するための説明図である。
【図４】タービンの第１バルブを説明するための説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。
【００１６】
コンテナ船やタンカー等の大型船舶では、熱効率がよく、低質燃料油（重油）が使用できるためコスト面で有利である、ユニフロー型の２サイクルエンジン（２ストロークエンジン）が広く使用されている。このようなエンジンにおいて、化石燃料、例えば、ガソリン、軽油、重油、液化天然ガス（ＬＮＧ：Liquefied Natural Gas）、および液化石油ガス（ＬＰＧ：Liquefied Petroleum Gas）等の燃料を燃焼させると、その結果生じる排気ガスには、ＮＯｘが含まれる。以下、エンジンから排出される排気ガス中のＮＯｘを還元する脱硝システム１００について説明する。なお、以下の実施形態においては、脱硝システム１００に用いるエンジンとしてユニフロー型の２ストロークエンジンを例に挙げて説明するが、他の形式の２ストロークエンジン等に脱硝システム１００を採用することもできる。
【００１７】
（脱硝システム１００）
図１は、本実施形態にかかる脱硝システム１００を説明するための説明図である。図１に示すように、脱硝システム１００は、エンジン１１０と、脱硝装置２００とを含んで構成される。図１中、物質（排気ガス、還元剤）の流れを実線で示し、信号の流れを破線で示す。
【００１８】
エンジン１１０は、シリンダ１１０ａと、ピストン１１０ｂと、排気弁１１０ｃと、排気集合管１１２とを含んで構成される。エンジン１１０は、掃気、圧縮、燃焼、排気といった行程を通じて、クロスヘッド（図示せず）に連結されたピストン１１０ｂがシリンダ１１０ａ内を摺動自在に、図１中白抜き矢印に示す方向に往復移動する。このようなクロスヘッド型のピストン１１０ｂでは、シリンダ１１０ａ内でのストロークを比較的長く形成することができ、ピストン１１０ｂに作用する側圧をクロスヘッドが受けるため、２ストロークエンジンの高出力化を図ることができる。さらに、シリンダ１１０ａとクロスヘッドが収まるクランク室とが隔離されるので、低質燃料油を用いる場合においても汚損劣化を防止することができる。排気集合管１１２は、エンジン１１０に設けられた複数の排気弁１１０ｃそれぞれを通じてシリンダ１１０ａと連通する複数の排気路を集約する。
【００１９】
脱硝装置２００は、排気集合管１１２から排出された排気ガスＸ１にアンモニアを作用させることで、排気ガスＸ１中に含まれるＮＯｘを窒素に還元する。
【００２０】
このように、エンジン１１０から排出された排気ガスＸ１は、脱硝装置２００に導入され、ＮＯｘが還元されて、排気ガスＸ２として外部に排出される。以下、本実施形態にかかる脱硝装置２００について詳細に説明する。
【００２１】
（脱硝装置２００）
本実施形態にかかる脱硝装置２００では、排気ガスＸ１に還元剤を導入し、還元剤の導入位置の下流にある脱硝触媒で、排気ガスＸ１中に含まれるＮＯｘを還元して窒素を生成する選択式触媒還元方式を採用している。
【００２２】
図１に示すように、脱硝装置２００は、第１バイパス管２１０と、第１還元剤導入部２１２と、脱硝触媒２１４と、過給機２５０と、ＮＯｘ検出部２１６と、還元剤調整部２１８と、第２バルブ２２０と、第２還元剤導入部２２２と、温度検出部２２４と、バルブ調整部２２６とを含んで構成される。
【００２３】
第１バイパス管２１０は、過給機２５０のタービン２５２の上流において排気路２０２ａから分岐され、タービン２５２の上流の排気ガスＸ１をタービン２５２の下流における排気路２０２ｂにバイパスする。
【００２４】
第１還元剤導入部２１２は、排気路２０２ａから第１バイパス管２１０への分岐点Ｐから排気路２０２ｂへの合流点Ｑの間で、第１バイパス管２１０に還元剤（尿素水）を導入（噴霧）する。本実施形態において第１還元剤導入部２１２は、第１バイパス管２１０における、後述する第２バルブ２２０の下流側に尿素水を導入する。
【００２５】
なお、第１還元剤導入部２１２による尿素水の導入位置および第２バルブ２２０の位置は、第１バイパス管２１０において、可能な限り上流であることが好ましい。例えば、タービン２５２の上流の排気ガスＸ１の温度が２７０℃であって、２７０℃で尿素水を気化、分解するためには１秒を要し、排気ガスＸ１の流速が、１０ｍ／秒であるとすると、尿素水を気化、分解するためには、１０ｍの流路が必要となる。したがって、第１還元剤導入部２１２による尿素水の導入位置および第２バルブ２２０の位置を、第１バイパス管２１０における可能な限り上流にすることにより、尿素水を気化、分解するための時間（配管の長さ）を稼ぐことができ、脱硝装置２００までの配管の長さを無駄に長くする必要がなくなる。
【００２６】
脱硝触媒２１４は、バナジウム、タングステン、モリブデン等の金属またはその酸化物と酸化チタン等で構成され、過給機２５０のタービン２５２を通過した排気ガスＸ１中のＮＯｘを還元する。
【００２７】
上述したように、大型船舶では、ユニフロー型の２ストロークエンジンが広く採用されているが、２ストロークエンジンは、４ストロークエンジンと比較して、高効率であり燃料に対する空気の割合が高いので排気ガスの温度が低い場合が多い。したがって、エンジン１１０としてユニフロー型の２ストロークエンジンを採用し、エンジン１１０の排気路に過給機２５０のタービン２５２を備える構成を採る場合、排気ガスＸ１の熱がタービン２５２で消費されるため、タービン２５２の下流の排気ガスＸ１の温度が、脱硝触媒２１４の活性温度、および、硫安分解温度に到達しないことがある。
【００２８】
図２は、２ストロークエンジンにおけるエンジン負荷と排気ガスＸ１の温度との関係を説明するための説明図である。図２中、タービン２５２の入口の排気ガスＸ１の温度を実線で、タービン２５２の出口の排気ガスＸ１の温度を破線で示す。
【００２９】
図２に示すように、エンジン負荷が高いと、タービン２５２の仕事量が増加し、すなわち、タービン２５２において排気ガスＸ１の熱が消費されてしまうため、タービン２５２の出口の排気ガスＸ１の温度が低下する。例えば、エンジン負荷が２５％から７５％と上昇するにつれて、タービン２５２の仕事量が増加するため、タービン２５２出口の排気ガスＸ１の温度は徐々に低下して２５０℃程度となり、７５％を超えても、２５０℃程度に留まる。したがって、エンジン負荷が６７％を超えると、尿素水の気化、分解に必要な温度である２７０℃を下回ってしまう。
【００３０】
ここで、タービン２５２の出口と脱硝触媒２１４とは、距離が近いため、タービン２５２の出口（下流）の排気ガスＸ１の温度を、脱硝触媒２１４の入口の温度とみなすことができる。したがって、タービン２５２の下流の排気ガスＸ１の温度が低下し、すなわち、脱硝触媒２１４の温度が低下し、活性温度、および、硫安分解温度（例えば、２７０℃程度）に達していないと、脱硝触媒２１４がＮＯｘを十分に還元できない。
【００３１】
本実施形態では、脱硝装置２００に、上述した第１バイパス管２１０を設けておき、タービン２５２の上流の温度の高い排気ガスＸ１を脱硝触媒２１４の直前にバイパスさせることにより、脱硝触媒２１４の温度を上昇させることができる。したがって、第１バイパス管２１０の配管径や、第１バイパス管２１０でバイパスさせる排気ガスＸ１の流量を適切に調整することで、脱硝触媒２１４の温度を、活性温度、および、硫安分解温度に到達させることができ、脱硝触媒２１４における硫安の生成を防止することが可能となる。
【００３２】
しかし、第１バイパス管２１０でタービン２５２の上流の排気ガスＸ１をタービン２５２の下流に単にバイパスさせるだけでは、タービン２５２の上流の排気ガスＸ１の流量が減少してタービン２５２の回転数が低減し、タービン２５２の回転を利用してエンジン１１０に掃気を行う圧縮機２５４の出力、すなわち掃気圧が落ちる。
【００３３】
図３は、過給機による掃気圧と、エンジン負荷の関係を説明するための説明図である。図３に示すように、エンジン負荷が上昇するに従って、過給機の掃気圧が上昇している。すなわち、エンジン負荷を上昇させるためには、掃気圧も上昇させる必要がある。しかし、第１バイパス管２１０でタービン２５２の上流の排気ガスＸ１をタービン２５２の下流にバイパスさせると、タービン２５２の回転数が低減し、それに伴って掃気圧が低下するため、エンジン負荷を上昇させることができなくなる、またが上昇させることができたとしてもエンジンが高温になってしまい、エンジンの正常な動作に影響を与えてしまう。
【００３４】
具体的に説明すると、掃気圧が低下すると掃気量（空気量）が減少するが、所定の出力を得るための燃料量はほとんど変化しない。このため、燃焼温度が上昇し、シリンダ１１０ａを構成するシリンダヘッドやシリンダライナ、排気弁１１０ｃ、ピストン１１０ｂ、ピストン１１０ｂを構成するピストンリングといった燃焼室を構成する部品の温度が上昇してしまう。
【００３５】
そして燃焼室を構成する部品の温度が上昇すると、部品の材料強度の低下、摺動部（シリンダ１１０ａ、ピストン１１０ｂ、排気弁１１０ｃ）の摩耗の促進、熱膨張による部品の変形、部品のシール不良（ガスがリークしてしまう）等が生じるおそれがある。そこで、燃焼室を構成する部品を、耐熱性の高い材料で製作することが考えられるがコスト高になってしまう。また、部品を冷却する構成も考えられるが、装置が大がかりとなったり、大幅な設計変更を強いられることになってしまう。
【００３６】
また、掃気圧が低下すると掃気量（空気量）が減少するため、空気不足によって燃焼状態が悪化し（燃料が十分に酸化されず）、煤等の未燃焼成分が増加してしまう。
【００３７】
過給機２５０は、タービン２５２と、タービン２５２と同軸の圧縮機２５４とを含んで構成される。タービン２５２は、エンジン１１０から排出された排気ガスＸ１によって回転し、圧縮機２５４は、タービン２５２の回転を利用し、外部から導入される活性ガス（酸素、オゾン等の酸化剤、または、その混合気（例えば空気））を圧縮してエンジン１１０への掃気圧を高める。こうすることで、エンジン１１０の出力を向上させることができる。
【００３８】
また、本実施形態のタービン２５２は、タービン２５２の上流の排気ガスＸ１を導入する第１バルブ２５６を有している。つまり、本実施形態にかかる過給機２５０は、可変容量過給機である。なお第１バルブ２５６の開度（流量）は、後述する第２バルブ２２０が閉になっている間、例えば、図３に示した、エンジン負荷と掃気圧の関係となるような開度（設定値）となっている。
【００３９】
図４は、タービン２５２の第１バルブ２５６を説明するための説明図であり、図４（ａ）、（ｂ）は、タービン２５２を上流側から見た図であり、図４（ｃ）は、第１バルブ２５６の開度に応じたタービン２５２に流入する排気ガスＸ１の流量と圧力比との関係を説明するための説明図である。図４（ｃ）において、縦軸は圧力比πｔを示し、横軸は、タービン修正流量を示す。ここで、Ｗはタービンを流れるガスの流量（ｋｇ／ｓ）を、Ｔ３はタービン入口温度（Ｋ）を、Ｐ３はタービン入口圧力（Ｐａ）を、Ｐ４はター分出口圧力（Ｐａ）をそれぞれ示す。
【００４０】
図４（ｃ）に示すように、図４（ａ）に示すようなタービン２５２の第１バルブ２５６の開度が小さい場合には、図４（ｂ）に示すようなタービン２５２の第１バルブ２５６の開度が大きい場合と比較して、タービン２５２を構成する翼部（インペラ）に流入する排気ガスＸ１の圧力が高くなる。つまり、第１バルブ２５６の開度を小さくする（絞る）と、翼部に流入する排気ガスＸ１の圧力が上昇し、翼部の回転数が上がる。
【００４１】
ＮＯｘ検出部２１６は、タービン２５２の上流における排気ガスＸ１のＮＯｘの濃度を検出する。ここで、ＮＯｘ濃度は、エンジン負荷と相関があるので、ＮＯｘ検出部２１６は、実際のＮＯｘ濃度を測定せずとも、エンジン負荷からＮＯｘ濃度を推定してもよい。
【００４２】
還元剤調整部２１８は、ＮＯｘ検出部２１６が検出したＮＯｘの濃度、および、後述するバルブ調整部２２６による第２バルブ２２０の開度（流量）に基づいて、第１還元剤導入部２１２が導入する尿素水の量および第２還元剤導入部２２２が導入する尿素水の量を調整する。
【００４３】
ＮＯｘ検出部２１６および還元剤調整部２１８を備える構成により、排気ガスＸ１中のＮＯｘが少ないときに無駄に尿素水を導入してしまい、脱硝触媒２１４においてアンモニアが酸化されずに、外部に排出してしまう事態を回避することができ、ＮＯｘが多いときにそのＮＯｘを還元するために必要な量の尿素水を導入することが可能となる。
【００４４】
第２バルブ２２０は、排気路２０２ａにおける第１バイパス管２１０への分岐点Ｐから排気路２０２ｂへの合流点Ｑの間に配置される。第２バルブ２２０の開度は、バルブ調整部２２６によって調整され、バルブ調整部２２６は、第１バイパス管２１０に導入する排気ガスＸ１の流量を調整する。
【００４５】
第２還元剤導入部２２２は、排気路２０２ｂにおける合流点Ｑの下流に尿素水を導入（噴霧）する。本実施形態において、第２還元剤導入部２２２は、バルブ調整部２２６による制御に応じて、第２バルブ２２０が閉となっている期間、すなわち、排気ガスＸ１全量がタービン２５２を通過している期間のみ合流点Ｑの下流に尿素水を導入する。
【００４６】
温度検出部２２４は、脱硝触媒２１４の入口の温度を検出する。図２を参照して理解できるように、タービン２５２の出口の排気ガスＸ１の温度とエンジン負荷には相関性があるため、温度検出部２２４は、実際の脱硝触媒２１４の入口の温度を測定せずとも、エンジン負荷、例えば、エンジン負荷が６７％以上であると、脱硝触媒２１４の入口の温度が２７０℃を下回る等、エンジン負荷から温度を推定してもよい。
【００４７】
表１は、エンジン負荷とクランクの回転数との関係を示す表である。表１に示すように、エンジン負荷とクランクの回転数との間には相関関係があるため、温度検出部２２４は、実際の脱硝触媒２１４の入口の温度を測定せずとも、クランクの回転数からエンジン負荷を推定し、推定したエンジン負荷から温度を推定してもよい。すなわち、クランクの回転数から脱硝触媒２１４の入口の温度を一意に求めることができる。
【表１】
【００４８】
バルブ調整部２２６は、温度検出部２２４が検出した温度に基づいて、第２バルブ２２０の開度を調整し、それに伴って第１バルブ２５６の開度も調整する。具体的に、バルブ調整部２２６は、温度検出部２２４が検出した温度に基づいて第１バイパス管２１０に設けられた第２バルブ２２０の開度を大きくするとき、過給機２５０のタービン２５２に設けられた第１バルブ２５６の開度を小さくし、逆に、第２バルブ２２０の開度を小さくするとき、過給機２５０のタービン２５２に設けられた第１バルブ２５６の開度を大きくする。
【００４９】
エンジン負荷が高く、タービン２５２の下流の排気ガスＸ１の温度が低下し、脱硝触媒２１４の入口の温度が、活性温度、および、硫安分解温度に達していない場合には、第１バイパス管２１０を介して、タービン２５２の上流の高温の排気ガスＸ１をバイパスさせて、脱硝触媒２１４を加温する必要がある。
【００５０】
そこで、バルブ調整部２２６は、温度検出部２２４が検出した温度が、脱硝触媒２１４の活性温度未満、かつ、硫安分解温度未満であると判定したときに、第２バルブ２２０の開度を調整して、バイパスさせる高温の排気ガスＸ１の流量を調整する。これにより、脱硝触媒２１４の温度を、活性温度、および、硫安分解温度に到達させることができ、排気ガスＸ１中に含まれるＮＯｘを確実に還元することが可能となる。
【００５１】
しかし、上述したように、脱硝触媒２１４を加温するために、バルブ調整部２２６が第２バルブ２２０の開度を大きくして、第１バイパス管２１０への排気ガスＸ１の流量を増加させると、過給機２５０のタービン２５２の上流の排気ガスＸ１の流量が減少してタービンの回転数が低減してしまう。
【００５２】
そこで、バルブ調整部２２６は、第２バルブ２２０の開度を大きくするとき、すなわち、タービン２５２の上流の排気ガスＸ１の流量が低下するとき、過給機２５０のタービン２５２に設けられた第１バルブ２５６の開度を小さくする。そうすると、上述したように、タービン２５２の翼部の回転数が上がり、タービン２５２の上流の排気ガスＸ１の流量が低下することによって下がってしまう圧縮機２５４の掃気圧を所望の値に維持することができる。
【００５３】
また、バルブ調整部２２６は、第２バルブ２２０の開度を小さくするとき、すなわち、タービン２５２の上流の排気ガスＸ１の流量が低下しないとき、第１バルブ２５６の開度を大きくして、設定値に近づける。そうすると、タービン２５２を排気ガスＸ１が十分に通過するため、圧縮機２５４の掃気圧を所望の値に維持することができる。
【００５４】
これにより、エンジン１１０への掃気圧が低下して、エンジン負荷が下降してしまう、または、エンジン１１０が高温になってしまう事態を回避することができる。
【００５５】
また、エンジン負荷が低く、脱硝触媒２１４の温度が、活性温度、および、硫安分解温度に達していれば、タービン２５２の上流の排気ガスＸ１を第１バイパス管２１０に通過させる必要はない。そこで、バルブ調整部２２６は、第１バイパス管２１０で高温の排気ガスＸ１をバイパスさせずとも、脱硝触媒２１４の活性温度以上とみなせる温度（例えば、２７０℃よりも１００℃高い３７０℃）であると判定したときに、第２バルブ２２０を閉にして、タービン２５２の上流の高温の排気ガスＸ１をバイパスさせない。また、バルブ調整部２２６は、第１バルブ２５６の開度を設定値に戻す。上流の排気ガスＸ１をバイパスさせないと、タービン２５２を排気ガスＸ１が十分に通過するため、タービン２５２を通過する排気ガスＸ１の流量が低下して圧縮機２５４の出力が低下してしまう事態を回避することが可能となる。
【００５６】
また、バルブ調整部２２６は、温度検出部２２４が検出した温度が、アンモニアを分解してしまうような高温である場合、第２バルブ２２０を閉にして、タービン２５２の上流の高温の排気ガスＸ１をバイパスさせない。これにより、タービン２５２の上流の排気ガスＸ１があまりにも高温であり、この排気ガスＸ１をバイパスさせることで、脱硝触媒２１４の温度が上昇しすぎてしまい、アンモニアを分解しＮＯｘの分解効率が低下してしまう事態を回避することができる。
【００５７】
なお、バルブ調整部２２６が第２バルブ２２０を閉にしている間、還元剤調整部２１８は、第１還元剤導入部２１２に尿素水の導入を停止させ、ＮＯｘ検出部２１６が検出したＮＯｘの濃度に基づいて、第２還元剤導入部２２２が導入する尿素水の量を調整する。
【００５８】
以上説明したように、本実施形態にかかる脱硝装置２００によれば、脱硝触媒２１４の温度に応じて、タービン２５２の上流の排気ガスＸ１のバイパス量を調整し、このバイパス量の調整具合に基づいて、圧縮機２５４の掃気圧が低下しないようにタービン２５２の第１バルブ２５６の開度を調整することになる。したがって、脱硝触媒２１４の温度を活性温度、および、硫安分解温度に維持するとともに、別途の電動機の利用を伴うことなく、エンジン１１０への掃気圧の低減を回避することが可能となる。
【００５９】
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【産業上の利用可能性】
【００６０】
本発明は、エンジンの排ガス中に含まれる窒素酸化物を、還元剤を用いて窒素に還元する脱硝装置に利用することができる。
【符号の説明】
【００６１】
２００ …脱硝装置
２１０ …第１バイパス管
２１４ …脱硝触媒
２１６ …ＮＯｘ検出部
２２０ …第２バルブ
２２４ …温度検出部
２２６ …バルブ調整部
２５０ …過給機
２５２ …タービン
２５４ …圧縮機
２５６ …第１バルブ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンの排気路に設けられたタービンに該タービンの上流の排気ガスを導入する第１バルブを有し、該タービンの回転を利用して該エンジンに空気を導入する過給機と、
前記過給機のタービンを通過した排気ガスを還元する脱硝触媒と、
前記タービンの上流において前記排気路から分岐され、該タービンの上流の排気ガスを該タービンの下流における該排気路にバイパスする第１バイパス管と、
前記排気路における前記第１バイパス管への分岐点から該排気路への合流点の間で、該第１バイパス管に導入する排気ガスの流量を調整する第２バルブと、
前記脱硝触媒の入口の温度を検出する温度検出部と、
前記温度検出部が検出した温度に基づいて、前記第１バルブの開度および前記第２バルブの開度を調整するバルブ調整部と、
を備えることを特徴とする脱硝装置。
【請求項２】
前記バルブ調整部は、前記第２バルブの開度を大きくするとき、前記第１バルブの開度を小さくすることを特徴とする請求項１に記載の脱硝装置。
【請求項１】
エンジンの排気路に設けられたタービンに該タービンの上流の排気ガスを導入する第１バルブを有し、該タービンの回転を利用して該エンジンに空気を導入する過給機と、
前記過給機のタービンを通過した排気ガスを還元する脱硝触媒と、
前記タービンの上流において前記排気路から分岐され、該タービンの上流の排気ガスを該タービンの下流における該排気路にバイパスする第１バイパス管と、
前記排気路における前記第１バイパス管への分岐点から該排気路への合流点の間で、該第１バイパス管に導入する排気ガスの流量を調整する第２バルブと、
前記脱硝触媒の入口の温度を検出する温度検出部と、
前記温度検出部が検出した温度に基づいて、前記第１バルブの開度および前記第２バルブの開度を調整するバルブ調整部と、
を備えることを特徴とする脱硝装置。
【請求項２】
前記バルブ調整部は、前記第２バルブの開度を大きくするとき、前記第１バルブの開度を小さくすることを特徴とする請求項１に記載の脱硝装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１３−２３５５（Ｐ２０１３−２３５５Ａ）
【公開日】平成２５年１月７日（２０１３．１．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１３４００２（Ｐ２０１１−１３４００２）
【出願日】平成２３年６月１６日（２０１１．６．１６）
【出願人】（０００００００９９）株式会社ＩＨＩ (5,014)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年１月７日（２０１３．１．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年６月１６日（２０１１．６．１６）
【出願人】（０００００００９９）株式会社ＩＨＩ (5,014)
【Ｆターム（参考）】
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