(57)【要約】      （修正有）【課題】大型船舶用の内燃機関から排出される排気成分の正確な測定方法を提供する。【解決手段】内燃機関１は、排ガス用のシリンダ出口２を有する少なくとも１つのシリンダ１ａを備える。内燃機関は、各シリンダ出口に接続された主排気管３と、主排気管の一部を迂回するバイパス管４とを備える。バイパス管は、主排気管よりも小さい容積、とりわけ迂回される主排気管の一部よりも小さい容積を有する。バイパス管は、排気成分を測定するためのセンサを挿入するための測定開口部５を備え、センサが洗浄、あるいは較正されるジェットノズルを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダの排ガスのためのシリンダ出口（２）を有する少なくとも１つのシリンダ（１ａ）と、
各シリンダ出口（２）に接続された主排気管（３）と、
前記主排気管（３）の少なくとも一部を迂回するバイパス管（４）であって、該バイパス管（４）は、好ましくは前記主排気管（３）よりも小さい容積を有し、とりわけ前記主排気管の迂回される部分よりも小さい容積を有する、バイパス菅（４）と
を備える内燃機関（１）において、
前記バイパス管（４）は、排ガスの成分を決定するためのセンサ（６）または測定装置を挿入するための測定開口部（５）を備え、前記バイパス管（４）は、流れ、好ましくは空気流を、前記センサ（６）または測定装置に導くことができるように配置されたジェットノズル（１３）を備えることを特徴とする内燃機関（１）。
【請求項２】
センサ（６）、好ましくはＮＯｘセンサが、前記測定開口部（５）に挿入されていることを特徴とする、請求項１に記載の内燃機関（１）。
【請求項３】
前記内燃機関（１）は少なくとも２つのシリンダを備え、前記バイパス管（４）は、各シリンダからの排ガスが前記バイパス菅を通して導くことができるように各シリンダに接続するための接続管（７）を備えることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の内燃機関（１）。
【請求項４】
前記バイパス管（４）は、第１の位置（８）で第１の直径を有し、第２の位置（９）で第２の直径を有し、前記第２の位置（９）は、前記第１の位置（８）の下流に配置され、前記第２の直径は、前記第１の直径よりも大きいことを特徴とする、請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の内燃機関（１）。
【請求項５】
前記内燃機関は、
前記主排気管（３）内に配置された、前記排ガス中のＮＯｘの濃度を低減するためのＳＣＲリアクタ（１０）と、
前記ＳＣＲリアクタ（１０）の上流に配置された少なくとも１つの還元剤注入器（１１）と
をさらに備えることを特徴とする、請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の内燃機関（１）。
【請求項６】
前記バイパス管（４）、とりわけ接続管（７）は、少なくとも１つの制限手段（１２）、とりわけオリフィスおよび／またはチェックバルブを備えることを特徴とする、請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の内燃機関（１）。
【請求項７】
前記バイパス管（４）は、温度調節ユニット（１５）、好ましくはヒーターを備えることを特徴とする、請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載の内燃機関（１）。
【請求項８】
前記シリンダ出口（２）と前記測定開口部、とりわけ前記センサまたは測定装置との間のガス流動距離は、少なくとも０．２ｍであることを特徴とする、請求項１から請求項７までのいずれか１項に記載の内燃機関（１）。
【請求項９】
前記接続管（７）は、前記主排気管（３）の水平方向の中間軸の上方に取り付けられていることを特徴とする、請求項１から請求項８までのいずれか１項に記載の内燃機関（１）。
【請求項１０】
前記バイパス管（４）、好ましくは接続管（７）は、制限手段（１７）、とりわけオリフィスを備え、少なくとも１つの制限手段（１７）、好ましくは各制限手段（１７）は、前記それぞれの制限手段（１７）を通る排ガスの流れを制御するように構成されたバルブ、好ましくはオリフィス板を備えることを特徴とする、請求項１から請求項９までのいずれか１項に記載の内燃機関（１）。
【請求項１１】
前記内燃機関（１）は、少なくとも２つのシリンダと、各シリンダから前記バイパス管への流れが等しくなるように少なくとも１つのバルブを制御するように構成されたバルブ制御ユニット（１８）とを備える、請求項１０に記載の内燃機関（１）。
【請求項１２】
前記制限手段（１７）は、それぞれのシリンダ出口（２）に対して同じ位置を有し、各シリンダ出口（２）と前記測定開口部（５）、とりわけセンサ（６）との間の流動距離は、実質的に同じである、請求項１０または請求項１１に記載の内燃機関（１）。
【請求項１３】
とりわけ請求項１から請求項１２までのいずれか１項に記載の内燃機関（１）において、排ガス中の排気成分を測定する方法であって、
内燃機関（１）の少なくとも１つの、好ましくは少なくとも２つのシリンダ（１ａ）内で燃料を燃焼させるステップと、
主排気管（３）を通して少なくとも１つのシリンダ（１ａ）、好ましくは各シリンダ（１ａ）から排ガスを導くステップと、
前記主排気管（３）と平行なバイパス管（４）を通して排ガスの一部を迂回させるステップであって、前記バイパス管（４）はジェットノズル（１３）を備える、迂回させるステップと、
任意で、前記バイパス菅（３）内の前記排ガスを緩和させるステップと、
測定装置またはセンサ（６）を用いて前記バイパス管（３）内の前記排ガスの排気成分の濃度を測定するステップと、
前記ジェットノズル（１３）から前記センサ（６）または測定装置上へ流れ、好ましくは空気流を導くステップと
を含む方法。
【請求項１４】
前記方法は、
前記主排気管（３）を通してＳＣＲリアクタ（１０）へ排ガスを導くステップと、
前記ＳＣＲリアクタ（１０）の上流の前記主排気管（３）内の前記排ガスに還元剤を注入するステップと
をさらに含む、請求項１３に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、独立請求項の前文に記載の内燃機関および排ガス中の排気成分を測定する方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関からの排気を浄化することは従来技術において知られている。先行技術から知られているＮＯｘ、ＣＯｘまたは硫酸化合物などの異なる望ましくない成分を除去するためのいくつかの浄化原理がある。現在のところ、すべての浄化機構は、不要な化合物の割合がどれだけであり、したがってどれだけの量を浄化することができ、そして浄化しなければならないかの大まかな指標に基づいている。
【０００３】
特許文献１は、排ガス後処理システムおよびバイパスを開示している。炭化水素または窒素酸化物または一酸化炭素または二酸化炭素または粒子濃度を決定するためにセンサがバイパスに設けられている。
【０００４】
特許文献２は、エンジン排ガス制御システムを開示している。このシステムはまた、エンジンによって生成された排気中のＮＯｘ量のＮＯｘ測定値をとるように構成されたＮＯｘセンサを含むことができる。センサは、バイパス流路に配置されてもよい。
【０００５】
特許文献３は、後処理システムに結合された排ガスサンプリング装置に関する。排ガスサンプリング装置は、入口通路と、出口通路と、センサ通路と、センサとを含む。センサ通路は、入口通路と出口通路との間に流体的に配置され、センサは、排ガスの一部の特性を示す信号を提供するためにセンサ通路と流体連通する。出口通路は、排ガスの一部を後処理システムに再導入する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】欧州特許出願公開第２３０９１０３号明細書
【特許文献２】米国特許第７２５５０９８号明細書
【特許文献３】欧州特許出願公開第２８１３６７８号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
したがって、本発明の目的は、従来技術の不利益を回避し、特に内燃機関および排ガス中の排気成分のより正確な決定を可能にする排ガス中の排気成分を測定する方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この目的は、独立請求項に記載の内燃機関および排ガス中の排気成分を測定する方法によって達成される。
【０００９】
本目的は、特に、シリンダの排ガスのためのシリンダ出口を備えた少なくとも１つのシリンダ（好ましくは、少なくとも２つのシリンダ）を備える内燃機関（好ましくは、２ストローククロスヘッド大型船舶用エンジン）によって達成される。内燃機関は、各シリンダ出口に接続された主排気管と、主排気管の少なくとも一部を迂回するバイパス管とを備える。バイパス管は、主排気管よりも小さい容積（特に、小さい直径）（特に、主排気管の迂回される部分よりも小さい容積）を有することが好ましい。バイパス管は、排気成分を決定するためのセンサまたは測定装置を挿入するための測定開口部を備える。
【００１０】
そのような内燃機関により、バイパス排気部分内の排気成分を測定することが可能になり、一方では成分を決定する一般的な可能性をもたらし、他方ではより正確な測定結果をもたらす。
【００１１】
本発明に係る大型船舶用エンジンは、シリンダの内径が少なくとも２００ｍｍである内燃機関である。エンジンは、好ましくは２ストローククロスヘッドエンジンである。エンジンは、ディーゼルエンジンまたは二元燃料エンジンとすることができる。
【００１２】
本発明に係る主排気管は、シリンダ出口とターボチャージャとの間に配置された排気管である。
【００１３】
センサ（好ましくは、ＮＯｘセンサ）を測定開口部に挿入することができる。
【００１４】
センサを測定開口部に挿入することによって、関心のある特定の成分を決定することができる。ＮＯｘに関心がある場合、センサはＮＯｘセンサである。本発明に係るセンサは、エンジンの使用中に関心のある成分を測定するためにバイパス管に固定された（特に、バイパス管に連続的に取り付けられたままである）測定装置である。測定装置は、必要に応じて開口部に挿入することができ、測定後に取り外される。
【００１５】
これにより、排ガスの成分を直接測定することが可能となり、特にセンサの下流側またはセンサと並行して浄化システムを測定値に適切になるように適応させることが可能になる。
【００１６】
バイパス管は、各シリンダからの排気がバイパス管を通って導かれるように各シリンダに接続するための接続管を備えることができる。
【００１７】
接続管を通して、各シリンダの排ガスの一部がバイパス管を通して導かれ、一方、排ガスの大部分は依然として主排気管を通して導かれる。各シリンダへの接続は、バイパス管内と主排気管内の排気の同じ相対的混合をもたらし、したがってより正確な測定結果をもたらす。
【００１８】
バイパス管は、第１の位置で第１の直径を有し、第２の位置で第２の直径を有し、第２の位置は、第１の位置の下流に配置され、第２の直径は、第１の直径よりも大きい。
【００１９】
本発明に係る直径は、円形の管でない場合、断面に対応する。
【００２０】
このようにして、バイパス管を通って導かれるガスは、バイパス管の容積が増大するので緩和される。これは、排ガスの冷却をもたらし、それによって特にセンサまたは測定装置がより高い温度および／または圧力で測定することができない、または正確に測定することができない場合に、より低い温度で測定する可能性をもたらす。
【００２１】
内燃機関は、主排気管内に配置された、排ガス中のＮＯｘの濃度を低減するためのＳＣＲリアクタをさらに備えることができ、少なくとも１つの還元剤注入器が、ＳＣＲリアクタの上流に配置される。
【００２２】
本発明に係るＳＣＲリアクタは、触媒反応が起こる触媒の層として定義される。たとえこれが排除されないとしても、ＳＣＲリアクタの触媒層の周りにフレームまたはボックスを特に必要としない。
【００２３】
主排気管内にＳＣＲリアクタを使用すると、排気中のＮＯｘの測定が主排気管を通して導かれる排気の割合に依存しないとしても、大部分の排気中のＮＯｘの低減を可能にする。さらに、測定部分を主要部分から分離することによって、センサをシリンダまたはシリンダ出口に直接配置する必要がない。なぜなら、還元剤注入器をＳＣＲリアクタの上流に配置する必要があり、シリンダの近くに追加のセンサのためのスペースがほとんどないからである。さらに、本発明に係るセンサは、全シリンダからの排気が考慮されるので、主排気部分中のＮＯｘ値に対応するＮＯｘの正しい値を測定することができる。還元剤注入器は、尿素、アンモニア、またはＳＣＲにおける還元反応を促進することができる他の還元手段を注入するように適合させることができる。
【００２４】
排気の他の部分（例えば、硫黄（または硫黄化合物）、粒子、ＣＯ、ＣＯ２、ＨＣまたはＣＨ４などが興味の対象である）の場合には、ＳＣＲリアクタは、明らかに必要ではない。硫黄（または硫黄化合物）の場合、例えば、そのＳＣＲリアクタは洗浄機またはスクラバーによって置換することができる。粒子の場合、粒子フィルタを排気浄化装置として使用することができる。ＣＯ、ＨＣ、またはＣＨ４に対しては、酸化触媒を使用することができる。ＣＯ２に対しては、ＣＯ２コレクターまたはＣＯ２スクラバーを使用することができる。スクラバーまたは排気浄化装置の組み合わせもまた使用することができる。この場合、さらに対応するセンサまたは測定装置が使用されるので、ＣＯセンサ、ＣＯ２センサ、ＨＣセンサ、ＣＨ４センサ、硫黄センサ、または粒子センサが使用される。あるいはまた、それらのセンサすべてを測定装置として構築することができる。
【００２５】
バイパス管（特に、接続管）は、少なくとも１つの制限手段（特に、オリフィスおよび／またはチェックバルブ）を備えることができる。
【００２６】
制限手段を使用することによって、バイパス管または接続管を通過することができる排気量が減少し、それによってすべてのシリンダからのガスの最適な混合が達成される。バイパス管内の全てのシリンダからの排気の混合物が主排気菅内の混合物に対応するように、各シリンダからバイパス管への同等の排気流を生成するために、制限手段はおそらく全ての接続管には配置されないかもしれない。チェックバルブは、バイパス管からシリンダへのガスの逆流を防止する。
【００２７】
これにより、より正確な測定結果が得られる。
【００２８】
バイパス管は、流れ（好ましくは、空気流）がセンサまたは測定装置に導かれることができるように配置されたジェットノズルを含む。
【００２９】
これにより、センサまたは測定機器を取り外す必要なく、センサまたは測定機器の清掃および／または較正を行うことができる。
【００３０】
内燃機関は、センサまたは測定装置（特に、ＮＯｘセンサ）の測定値に基づいて、還元剤の注入を制御するように構成された還元剤制御ユニットをさらに備えることができる。
【００３１】
このようにして、還元剤の使用は必要性に適合させることができ、過剰投与または過少投与されない。これは、排ガスの最適化された浄化と、同時にエンジンと排気システム自体のより良い耐久性をもたらす。
【００３２】
バイパス管は、温度調節ユニット（好ましくは、ヒーター）を備えることができる。
【００３３】
凝縮を防ぐために、バイパス管を通って導かれる排ガスをより高い温度（特に、２００℃を超える温度）に加熱することができる。これは、より高い耐久性の排気システムをもたらす。
【００３４】
シリンダ出口と測定開口部（特に、センサまたは測定装置）との間のガス流動距離は、少なくとも０．２ｍである。
【００３５】
この最小距離は、測定点においてバイパス管内に均一に混合された排気をもたらす。
【００３６】
各シリンダとバイパス管との間の接続管は、バイパス管の水平方向の中間軸の上方に取り付けることができる。水は常に重力で流れ落ちるので、水平方向の中間軸の上方の接続管の配置は、バイパス管に流体の水が導入されないことにつながる。
【００３７】
バイパス管は、ふるいを含むことができる。
【００３８】
バイパス管内のふるいの配置は、異なるシリンダからの排ガスの最適化された混合をもたらす。
【００３９】
バイパス管（好ましくは、接続管）は、制限手段（（特に、オリフィス）を含むことができ、少なくとも１つの（好ましくは、それぞれの）制限手段は、それぞれの制限手段を通る排ガスの流れを制御するように構成されたバルブ（好ましくは、オリフィス板）を備える。
【００４０】
このようにして、排ガスの流れを制御することができ、各シリンダからのガスの最適な混合を達成することができる。
【００４１】
内燃機関は、少なくとも２つのシリンダと、各シリンダからバイパス管への流れが等しくなるようにバルブを制御するように構成されたバルブ制御ユニットとを備えることができる。
【００４２】
制御ユニットの使用は、各シリンダからの流れの自動適合を可能にする。
【００４３】
内燃機関は、少なくとも２つのシリンダと２つの接続管とを備えることができ、接続管または接続管内の制限手段の直径は異なる。
【００４４】
このようにして、接続管または制限手段は、各シリンダからの同量のガスが確実にバイパス管にリダイレクトされるように適合させることができる。これにより正しい測定値が得られる。
【００４５】
制限手段は、それぞれのシリンダ出口に対して同じ位置を有することができ、各シリンダ出口と測定開口部（特に、センサまたは測定装置）との間の流動距離は、実質的に同じにすることができる。
【００４６】
このようにして、各シリンダからの排ガスの最適な混合が保証される。
【００４７】
本発明の目的はさらに、（特に、前述のような内燃機関中の）排ガス中の排気成分を測定する方法によって達成される。本方法は、
内燃機関の少なくとも１つの（好ましくは、少なくとも２つの）シリンダ内で燃料を燃焼させるステップと、
主排気管を通して少なくとも１つの（好ましくは、それぞれの）シリンダから排ガスを導くステップと、
主排気管と平行なバイパス管を通して排ガスの一部を迂回させるステップと、
任意で、バイパス菅内の排ガスを緩和させるステップと、
測定装置またはセンサを用いてバイパス管内の排ガスの成分の濃度を測定するステップとを含む。
【００４８】
この方法は、排ガス成分のより正確で直接的な測定を可能にする。
【００４９】
本方法は、
主排気管を通してＳＣＲリアクタへ排ガスを導くステップと、
ＳＣＲリアクタの上流の主排気管内の排ガスに還元剤を注入するステップであって、排ガスの一部は、還元剤注入の上流で迂回されるステップとをさらに含むことができる。
【００５０】
本発明は、図面を用いて以下の実施形態において説明される。それは以下を示す。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明に係る内燃機関の概略図である。
【図２】本発明の代替の実施形態の概略図である。
【図３】本発明の第３の実施形態の概略図である
【図４】バイパス管の概略図である。
【図５】接続管を接続する主排気管の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００５２】
図１は、排ガス用のシリンダ出口２を有する４つのシリンダ１ａを含む内燃機関１を示す。この図では、一例として４つのシリンダが記載されているが、当然のことながら、これは１から１４の間の任意の数、またはさらにそれ以上とすることができる。内燃機関はさらに、２ストローク大型船舶用エンジン（特に、クロスヘッドエンジン）の通常知られている部品を備える。シリンダ出口２からの排ガスは、主排気管３を通って導かれる。主排気管３は、各シリンダ出口２に接続されている。内燃機関１は、主排気管３の少なくとも一部を迂回するバイパス管４をさらに備える。バイパス管４は、バイパス管４と各シリンダ１ａとを接続する接続管７を備える。このようにして、各シリンダ１ａからの排気は、バイパス管４に迂回される。バイパス管４は測定開口部５を備え、それを通してセンサ６（図２参照）または測定装置がバイパス管４に挿入可能である。さらにこの例では、バイパス管４は、オプションとしてふるい１６を備える。バイパス管４に迂回される排ガスの量は、主排気管３を通って導かれる排ガスの量よりも少ない。主排気管３は、ＮＯｘを低減するためのＳＣＲリアクタ１０を備える。排気の他の部分（例えば、硫黄（または硫黄化合物）、粒子、ＣＯ、ＣＯ２、ＨＣまたはＣＨ４などが興味の対象である）の場合には、ＳＣＲリアクタは、明らかに必要ではない。硫黄（または硫黄化合物）の場合、例えば、そのＳＣＲリアクタは洗浄機またはスクラバーによって置換することができる。粒子の場合、粒子フィルタを排気浄化装置として使用することができる。ＣＯ、ＨＣ、またはＣＨ４に対しては、酸化触媒を使用することができる。ＣＯ２に対しては、ＣＯ２コレクターまたはＣＯ２スクラバーを使用することができる。スクラバーまたは排気浄化装置の組み合わせもまた使用することができる。測定開口部５の下流で、バイパス管４からの排気は、排気管３からの排気と再結合される。好ましくは、この再結合はＳＣＲリアクタ１０の下流で行われる。ＳＣＲリアクタ１０の上流には、還元剤注入器１１が、ＳＣＲリアクタ１０内での反応を最適化するために、尿素、アンモニア、または他の任意の還元剤を排気中に注入するように配置されている。主排気管３およびバイパス管４からの排ガス流を再結合した後、排ガスは大気中に放出される。
【００５３】
図２は、ＮＯｘを測定するためのセンサ６と、バイパス管４内に空気を注入するためのジェットノズル１３とをさらに備える、図１と比較した同様の一実施形態を示す。ジェットノズル１３の注入点は、センサ６がジェットノズル１３から生じる空気によって洗浄および／または較正されることができるようにする。さらに、内燃機関１は、ＳＣＲリアクタ１０の上流で主排気管３内の排気中への還元剤の注入量を制御するための還元剤制御ユニット１４を備える。還元剤制御ユニット１４は、センサ６によって測定されたＮＯｘ濃度の値に基づいて制御される。センサ６は、例えば自動車産業から市販されている任意のＮＯｘセンサであることが好ましい。
【００５４】
図３は、バイパス管４からの排気がＳＣＲリアクタ１０の上流で主排気管３に再導入される図１および／または図２のさらなる変形を示す。このようにして、バイパス管４からの排気さえもＳＣＲリアクタ１０内で浄化される。他のすべての構成は、図１および／または図２の構成に対応する。
【００５５】
図４は、測定開口部５を含むバイパス管４の概略図を示す。バイパス管４は、第１の位置８で第１の直径と第２の位置９で第２の直径の２つの異なる直径を有する。バイパス管４内のこの体積の拡大により、排ガスは緩和され、それによって冷却される。この冷却は、より低い温度で測定開口部５を通して排ガスの任意の成分を測定する可能性をもたらし、それによって標準的なセンサまたは測定装置を使用する可能性をもたらす。緩和が低すぎる温度（例えば、２００℃未満の温度）をもたらす場合には、バイパス管４は、排気を所定の温度より高いレベルに加熱することができる温度制御ユニット１５を備える。これは主に、凝縮が望ましくなく、通常２００℃未満の温度で起こるという事実によるものである。排気を加熱することによって、バイパス管４内の凝縮の危険性が減少する。
【００５６】
図５は、主排気管３を通る断面図を示す。主排気管３は、接続管７によるバイパス管４への接続を含む。接続管７は、すべて主排気管の水平中央軸より上方に配置される。これにより、すべての接続管７が主排気管３からバイパス管４に流れるときに排気の上方成分を必要とするため、バイパス管４内に凝縮物が導入されることはない。
【００５７】
各シリンダ１ａからバイパス管４への等量の排気流を達成するために、接続管７は、上述の実施形態のすべてにおいてバルブおよび／またはオリフィスなどの制限手段を備えることができる。制限手段は、全ての接続管を通して同じ排気流を作り出すように適合されているので、必要に応じて断面または流量容量が類似していても異なっていてもよい。バルブの場合には、接続管７および／またはバイパス管４を通る各シリンダ１ａからの体積流量は、エンジンの運転中にさらに制御することができる。これは特に、バルブ制御ユニットによって制御することができる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【外国語明細書】
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