(57)【要約】【課題】重油で作動される内燃機関において、内燃機関の構成ユニットに対する腐食の危険を増大させることなく、排ガス再循環を利用する。【解決手段】気筒（１２）を出て過給機（１５）に供給可能である排ガス（１４）は、少なくとも一つの排ガス再循環冷却器（２５，２６）を含む排ガス再循環装置（２３）を用いて、過給機（１５）の上流において分岐可能であるとともに、冷却後に圧縮された給気（１３）と混合可能であり、排ガス再循環装置（２３）を介してガイドされる排ガスに対して、硫黄を含有する酸の露点温度を下回るように排ガス再循環装置（２３）を介してガイドされる排ガスを冷却する排ガス再循環冷却器（２６）の上流において、少なくとも一つの添加剤（２７，３４）が導入可能であり、当該少なくとも一つの添加剤は排ガスの硫黄酸化物を結合させる、および／あるいは排ガスを冷却する際に生じる、硫黄を含有する酸を中和する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関、すなわち重油で作動される内燃機関であって、複数の気筒（１２）を有するエンジン（１１）と、少なくとも一つのターボ過給機（１６，１７）を有する過給機（１５）と、を有する内燃機関において、
前記気筒（１２）を出て前記過給機（１５）に供給可能である排ガス（１４）は、少なくとも一つの排ガス再循環冷却器（２５，２６）を含む排ガス再循環装置（２３）を用いて、前記過給機（１５）の上流において分岐可能であるとともに、冷却後に圧縮された給気（１３）と混合可能であり、
前記排ガス再循環冷却器（２６）の上流において前記排ガス再循環装置（２３）を介してガイドされる前記排ガスに対して、少なくとも一つの添加剤（２７，３４）が導入可能であり、前記排ガス再循環冷却器（２６）が、硫黄を含有する酸の露点温度を下回るように前記排ガス再循環装置（２３）を介してガイドされる前記排ガスを冷却し、前記少なくとも一つの添加剤が、前記排ガスの硫黄酸化物を結合させる、および／あるいは前記排ガスを冷却する際に生じる、硫黄を含有する酸を中和することを特徴とする内燃機関。
【請求項２】
前記添加剤（２７，３４）は前記硫黄酸化物と、および／あるいは前記硫黄を含有する酸と、水溶性の反応生成物と、を形成しながら反応し、当該反応生成物は、前記排ガス再循環冷却器（２５，２６）に後置された液滴セパレータ（２９）を介して、凝縮水と共に前記排ガス再循環装置（２３）から導出可能であることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
【請求項３】
前記排ガス再循環装置（２３）は、硫黄を含有する酸の露点温度を上回る温度に排ガスを冷却する第一の排ガス再循環冷却器（２５）と、硫黄を含有する酸の露点温度を下回る温度に排ガスを冷却する第二の排ガス再循環冷却器（２６）と、を有していることを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関。
【請求項４】
前記添加剤は、前記排ガス再循環装置（２３）を介してガイドされる排ガスの流れ方向で見た場合、前記第二の排ガス再循環冷却器（２６）の上流において、かつ、前記第一の排ガス再循環冷却器（２５）の下流において、前記排ガスに導入されることを特徴とする請求項３に記載の内燃機関。
【請求項５】
前記添加剤は、前記排ガス再循環装置（２３）を介してガイドされる排ガスの流れ方向で見た場合、前記第二の排ガス再循環冷却器（２６）の上流でにおいて、かつ、前記第一の排ガス再循環冷却器（２５）の上流において前記排ガスに導入されることを特徴とする請求項３に記載の内燃機関。
【請求項６】
添加剤として、水酸化アンモニウム（ＮＨ４ＯＨ）および／または炭酸アンモニウム（（ＮＨ４）２ＣＯ３）および／または重炭酸アンモニウム（ＮＨ４ＨＣＯ３）および／または水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）または炭酸ナトリウム（Ｎａ２ＣＯ３）および／または水酸化カリウム（ＫＯＨ）および／または炭酸カリウム（ＫＣＯ２）がノズル（２８）を介して前記排ガスに導入されることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の内燃機関。
【請求項７】
アンモニア（ＮＨ３）がアンモニア発生器（３２）を介して尿素から作り出されるとともに、前記排ガスに導入され、前記アンモニア発生器（３２）は、尿素水溶液を添加剤（３４）として前記排ガスに導入するためのノズル（３３）と、前記尿素水溶液を水蒸気、二酸化炭素、およびアンモニアに変換するための加水分解触媒（３５）と、を有していることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の内燃機関。
【請求項８】
内燃機関、すなわち重油で作動される内燃機関のための排ガス再循環装置において、
内燃機関の気筒（１２）を出る排ガス（１４）は、少なくとも一つの排ガス再循環冷却器（２５，２６）を用いて冷却可能であり、硫黄を含有する酸の露点温度を下回るように前記排ガスを冷却する前記排ガス再循環冷却器（２６）の上流において、少なくとも一つの添加剤（２７，３４）が導入可能であり、当該少なくとも一つの添加剤は前記排ガスの硫黄酸化物を結合させる、および／あるいは前記排ガスを冷却する際に生じる、硫黄を含有する酸を中和することを特徴とする排ガス再循環装置。
【請求項９】
請求項１から７のいずれか一項に記載の特徴を特徴とする請求項８に記載の排ガス再循環装置。
【請求項１０】
内燃機関、すなわち重油で作動される内燃機関における排ガス再循環のための方法において、
内燃機関の気筒を出る排ガスは、少なくとも一つの排ガス再循環冷却器を用いて冷却され、硫黄を含有する酸の露点温度を下回るように前記排ガスを冷却する前記排ガス再循環冷却器の上流において、少なくとも一つの添加剤が導入され、当該少なくとも一つの添加剤は前記排ガスの硫黄酸化物を結合させる、および／あるいは前記排ガスを冷却する際に生じる、硫黄を含有する酸を中和することを特徴とする方法。
【請求項１１】
請求項１から７のいずれか一項に記載の特徴を特徴とする請求項１０に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は内燃機関に関する。本発明はまた、内燃機関のための排ガス再循環装置と、内燃機関における排ガス再循環のための方法とに関する。
【背景技術】
【０００２】
重油で作動される内燃機関には、用いられる燃料、すなわち重油が高度に硫黄を含有するという特殊性がある。硫黄酸化物は排ガスの他の成分と反応し、内燃機関の排ガス浄化装置のような、内燃機関の構成ユニットへの蒸着を生じさせるおそれがある。
【０００３】
特許文献１から、過給機と排ガス浄化装置とを有する内燃機関が知られている。当該過給機は一段式または二段式の過給機として実施されている。排ガス浄化装置は少なくとも一つのＳＣＲ触媒を含んでおり、当該ＳＣＲ触媒は一段式の過給機においては、排気ターボ過給機のタービンの下流か排気ターボ過給機のタービンの上流かに配置されている。二段式の過給機の場合、ＳＣＲ触媒は当該従来技術によれば、高圧排気ターボ過給機の高圧タービンと低圧排気ターボ過給機の低圧タービンとの間に配置されている。
【０００４】
乗用車および商用車における応用から、いわゆる排ガス再循環の利用により、内燃機関の排ガス排出をさらに減少させることが知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】独国特許出願公開第１０２００４０２７５９３号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、重油で作動される内燃機関において排ガス再循環を利用することには問題がある。そのために重油で作動される内燃機関において、排ガス再循環装置は従来用いられ得なかった。これは取り分け以下のような理由による。すなわち、排ガス再循環の際、再循環させるべき排ガスは排ガス再循環冷却器を介して、硫黄を含有する酸の露点温度を下回るように冷却されるので、その場合、排ガス再循環の構成ユニットと内燃機関の構成ユニットは、硫黄を含有する酸に接触し、それにより硫黄を含有する酸の強い腐食作用の結果として損傷を受け得る。この点に基づいて本発明は、重油で作動される新式の内燃機関と、このような内燃機関のための新式の排ガス再循環装置と、このような内燃機関における排ガス再循環のための新式の方法と,を創出することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の課題は請求項１に記載の内燃機関によって解決される。本発明によれば、気筒を出て過給機に供給可能である排ガスは、少なくとも一つの排ガス再循環冷却器を含む排ガス再循環装置を用いて、過給機の上流において分岐可能であるとともに、冷却後に圧縮された給気と混合可能であり、排ガス再循環装置を介してガイドされる排ガスに対して、硫黄を含有する酸の露点温度を下回るように排ガスを冷却する排ガス再循環冷却器の上流において、少なくとも一つの添加剤が導入可能であり、当該少なくとも一つの添加剤は排ガスの硫黄酸化物を結合させる、および／あるいは排ガスを冷却する際に生じる、硫黄を含有する酸を中和する。本発明により、重油で作動される内燃機関において排ガス再循環を利用することが提案され、これは以下の点により実現される。すなわち、排ガス再循環を介してガイドされる排ガスに、排ガスの硫黄酸化物を結合させる、および／あるいは排ガスを冷却する際に生じる、硫黄を含有する酸を中和する添加剤が導入されることによって実現される。これにより排ガス再循環の構成ユニットもしくは気筒のピストンが硫黄を含有する酸と接触することが回避される。これらの構成ユニットが腐食によって損傷を受けることに対して有効な対処がなされ得る。
【０００８】
単独の添加剤または個々の添加剤は好ましくは排ガスの硫黄酸化物と、および／あるいは排ガスを冷却する際に生じる、硫黄を含有する酸と水溶性の反応生成物とを形成しながら反応し、当該反応生成物は、単独の排ガス再循環冷却器または個々の排ガス再循環冷却器に後置された液滴セパレータを介して、凝縮水と共に排ガス再循環装置から導出することができる。硫黄酸化物および／または硫黄を含有する酸が反応して水溶性の反応生成物が生じることと、水溶性の反応生成物を凝縮水と共に液滴セパレータを介して導出することとは、構成上簡単であり、有効かつ好ましい。
【０００９】
本発明の好適なさらなる構成によれば、排ガス再循環装置は、硫黄を含有する酸の露点温度を上回る温度に排ガスを冷却する第一の排ガス再循環冷却器と、硫黄を含有する酸の露点温度を下回る温度に排ガスを冷却する第二の排ガス再循環冷却器と、を有している。単独の添加剤または個々の添加剤は、排ガス再循環装置を介してガイドされる排ガスの流れ方向で見た場合、第二の排ガス再循環冷却器の上流であり、かつ、第一の排ガス再循環冷却器の下流または代替的に上流において、排ガスに導入される。当該実施は重油で作動される内燃機関において特に好適である。排ガスの硫黄酸化物を結合させる、および／あるいは排ガスを冷却する際に生じる、硫黄を含有する酸を中和する単独の添加剤または個々の添加剤は好ましくは、二つの排ガス再循環冷却器の間で排ガスに導入される。
【００１０】
本発明に係る内燃機関のための排ガス再循環装置は、請求項８に規定されている。
【００１１】
本発明に係る内燃機関における排ガス再循環のための方法は、請求項１０に規定されている。
【００１２】
本発明の好適なさらなる構成は従属請求項と、以下の詳細な説明と、に記載されている。本発明の実施の形態を図面に基づいてより詳しく説明するが、本発明は当該実施の形態に限定されるものではない。図面に示すのは以下の通りである。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】第一の本発明に係る内燃機関を概略的に示す図である。
【図２】第二の本発明に係る内燃機関を概略的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明は重油で作動される内燃機関、特に船舶用ディーゼルエンジンに関する。
【００１５】
図１は本発明に係る、重油で作動される内燃機関１０の第一の実施の形態を概略的に表示しており、内燃機関１０は複数の気筒１２を有するエンジン１１を含んでいる。内燃機関１０の気筒１２では燃料として重油が燃焼され、そのために内燃機関１０の気筒１２には重油のほかに、さらに圧縮された給気１３が供給される。重油が燃焼する際に生じる排ガス１４は、内燃機関１０の気筒１２から排出される。
【００１６】
図１に示す内燃機関１０は過給機１５を有しており、当該過給機は図に示す実施の形態では二つのターボ過給機１６および１７を含んでいる。第一のターボ過給機１６はいわゆる高圧ターボ過給機として実施され、第二のターボ過給機１７はいわゆる低圧ターボ過給機として実施されている。内燃機関１０の気筒１２を出た排ガス１４はまず、高圧ターボ過給機１６の高圧タービン１８の領域に到達し、続いて低圧ターボ過給機１７の低圧タービン１９の領域に到達する。
【００１７】
ターボ過給機１６および１７のタービン１８および１９において排ガス１４は逐次的に膨張させられ、このとき得られるエネルギーが利用され、それによってターボ過給機１６，１７の圧縮機２０もしくは２１において給気１３を逐次的に圧縮する。すなわち、低圧ターボ過給機１７は低圧圧縮機２１を含んでおり、高圧ターボ過給機１６は高圧圧縮機２０を含んでいる。ターボ過給機１６，１７の個々の圧縮機２０，２１の下流にはそれぞれ、給気冷却器２２が設けられている。
【００１８】
ここで、図１に示されている、二つのターボ過給機１６，１７を含む過給機１５と異なり、一段式、または二段より多くの過給機も用いられ得ることを指摘しておく。本発明に係る、重油で作動される内燃機関１０はさらに、図に示されていない排ガス浄化装置を有していてよい。このような排ガス浄化装置は少なくとも一つの、図に示されていない排ガス触媒コンバータ、例えばＳＣＲ触媒を有している。排ガス浄化装置はさらに、粒子フィルターを有し得る。
【００１９】
本発明に係る内燃機関１０は排ガス再循環装置２３を有している。排ガス再循環装置２３を用いて、排ガス再循環バルブ２４が開放されているとき、気筒１２を出る排ガス１４の流れ方向で見て、単独のまたは個々のターボ過給機１６，１７の上流において、排ガスは排ガス流から分岐され得、図１の実施の形態では排ガス再循環装置２３を経て分岐された排ガスは、二つの排ガス再循環冷却器２５および２６を介してガイドされる。このとき排ガス再循環冷却器２５は、排ガス再循環装置２３を介してガイドされた排ガスを、硫黄を含有する酸の露点温度を上回る温度に冷却する。第二の排ガス再循環冷却器２６が初めて、排ガス再循環装置２３を介してガイドされた排ガスを、硫黄を含有する酸の露点温度を下回る温度に冷却する。
【００２０】
本発明によれば、排ガス再循環装置２３を介してガイドされた排ガスに添加剤が導入され、当該添加剤は排ガスの硫黄酸化物ＳＯｘを結合させる、および／あるいは排ガスを冷却する際に生じる、硫黄を含有する酸を中和する。
【００２１】
図１の実施の形態において、当該添加剤２７は、排ガス再循環装置２３を介してガイドされる排ガスの流れ方向で見て、第一の排ガス再循環冷却器２５の下流で、かつ第二の排ガス再循環冷却器２６の上流において排ガスに導入される。すなわち、図１においてノズル２８を用いて導入される。
【００２２】
排ガスに導入された単独の添加剤または個々の添加剤２７は、排ガスの硫黄酸化物ＳＯｘと、および／あるいは排ガスを冷却する際に第二の排ガス再循環冷却器２６の領域において生じる、硫黄を含有する酸と、水溶性の反応生成物と、を形成しながら反応する。当該水溶性の反応生成物は、第二の排ガス再循環冷却器２６に対して、およびそれとともに第一の排ガス再循環冷却器２５に対しても、排ガス再循環装置２３を介してガイドされる排ガスの流れ方向において後置されている液滴セパレータ２９を介して、凝縮水と共に排ガス再循環装置２３から導出され得る。図１において排ガス再循環装置２３から導出された凝縮水および当該凝縮水に溶解された、単独の添加剤または個々の添加剤と排ガスの硫黄酸化物および／あるいは硫黄を含有する酸とから生じる反応生成物は、参照番号３０で示されている。
【００２３】
液滴セパレータ２９の下流において排ガス再循環装置２３を介して内燃機関１１の気筒１２に向かってガイドされる排ガスは、硫黄酸化物を含んでおらず、および／あるいは硫黄を含有する酸を含んでおらず、従って送風機３１を用いて、圧縮された給気１３に問題なく添加され得る。排ガス再循環装置２３の構成ユニットおよび内燃機関１０の気筒１２が、排ガスの硫黄酸化物および硫黄を含有する酸と反応し、当該反応に関連する腐食に晒される危険はない。
【００２４】
添加剤２７として好ましくは、水酸化アンモニウムＮＨ４ＯＨおよび／または炭酸アンモニウム（ＮＨ４）２ＣＯ３および／または重炭酸アンモニウムＮＨ４ＨＣＯ３および／または水酸化ナトリウムＮａＯＨおよび／または炭酸ナトリウムＮａ２ＣＯ３および／または水酸化カリウムＫＯＨおよび／または炭酸カリウムＫＣＯ２がノズル２８を介して排ガスに導入される。それぞれの添加剤は、排ガスの硫黄酸化物ＳＯｘと、および／または排ガスを冷却する際に生じる、硫黄を含有する酸と反応して、水溶性かつアルカリ性の反応生成物を形成し、当該反応生成物はすでに述べたように、液滴セパレータ２９を介して、凝縮水と共に排ガス再循環装置２３から導出され得る。
【００２５】
以下に例としていくつかの添加剤について、個々の添加剤が排ガスの硫黄酸化物ＳＯｘおよび／または硫黄を含有する酸と反応して水溶性の反応生成物を生じさせる反応連鎖を記載する。
【００２６】
水酸化アンモニウムＮＨ４ＯＨが添加剤として用いられる場合、硫黄酸化物の反応は以下に例示する反応連鎖に従って水溶性の硫酸アンモニウム（ＮＨ４）２ＳＯ４を生じさせる。
ＮＨ４ＯＨ＋ＳＯ２→ＮＨ４ＨＳＯ３
ＮＨ４ＨＳＯ３＋ＮＨ３→（ＮＨ４）２ＳＯ３
（ＮＨ４）２ＳＯ３＋１／２Ｏ２→（ＮＨ４）２ＳＯ４
【００２７】
水酸化ナトリウムＮａＯＨが添加剤として用いられる場合、硫黄酸化物の反応は以下に例示する反応連鎖に従って、水溶性の反応生成物である硫酸ナトリウムＮａＨＳＯ３を生じさせる。
ＳＯ２＋Ｈ２Ｏ→Ｈ２ＨＳＯ３
ＳＯ２＋２ＮａＯＨ→Ｎａ２ＳＯ３＋Ｈ２Ｏ
ＳＯ２＋Ｎａ２ＳＯ３＋Ｈ２Ｏ→２ＮａＨＳＯ３
【００２８】
硫酸Ｈ２ＳＯ４は個々の添加剤に応じて、以下に例示する反応連鎖に従って水溶性の反応生成物を生じさせる。
Ｈ２ＳＯ４＋（ＮＨ４）２ＣＯ３→（ＮＨ４）２ＳＯ３＋ＣＯ２＋Ｈ２Ｏ
Ｈ２ＳＯ４＋２ＫＯＨ→Ｋ２ＳＯ４＋２Ｈ２Ｏ
Ｈ２ＳＯ４＋Ｋ２ＣＯ３→Ｋ２ＳＯ４＋ＣＯ２
Ｈ２ＳＯ４＋Ｎａ２ＣＯ３→Ｎａ２ＳＯ４＋ＣＯ２＋Ｈ２Ｏ
【００２９】
図１の実施の形態において、個々の添加剤を第一の排ガス再循環冷却器２５の上流においても、排ガス再循環装置２３を介してガイドされる排ガスに導入することができる。
【００３０】
図２は本発明の一の実施の形態を示しており、当該発明では添加剤としてアンモニアＮＨ３がアンモニア発生器３２を介して作り出されるとともに、排ガス再循環装置２３を介してガイドされる排ガスに、第一の排ガス再循環冷却器２５の上流において導入され、アンモニア発生器３２はノズル３３を有しており、当該ノズルを介してまず尿素３４もしくは尿素水溶液が排ガスに導入され、アンモニア発生器３２はさらに加水分解触媒３５を含んでおり、それによって排ガスに導入された尿素もしくは尿素水溶液を加水分解触媒３５において水蒸気、二酸化炭素、およびアンモニアに変換する。
【００３１】
アンモニアはその後、排ガスの硫黄酸化物および／または硫黄を含有する酸との反応に対する添加剤として役立ち、それによって排ガスの硫黄酸化物を結合させ、および／または硫黄を含有する酸を中和し、当該反応の際、好ましくは水溶性の反応生成物が生じ、当該水溶性の反応生成物も、液滴セパレータ２９を介して凝縮水３０と共に排ガス再循環装置２３から導出され得る。
【００３２】
従って本発明の趣旨は、重油で作動される内燃機関１０において排ガス再循環のための
排ガス再循環装置２３を利用することであり、このとき排ガスの硫黄酸化物および／または排ガスの冷却の際に生じる、硫黄を含有する酸は結合および／または中和される。このとき添加剤の導入は、硫黄を含有する酸の露点温度を下回るように排ガスを冷却する排ガス再循環冷却器２６の上流において行われる。このとき当該排ガス再循環冷却器２６の表面は個々の添加剤と硫黄酸化物もしくは硫黄を含有する酸との有効な反応のために利用され得る。従来、重油で作動される内燃機関において排ガス再循環を利用することを許さなかった腐食の問題は、本発明によって回避され得る。したがって本発明により、重油で作動される内燃機関において、内燃機関の構成ユニットに対する腐食の危険を増大させることなく、排ガス再循環を利用することが可能となる。
【符号の説明】
【００３３】
１０  内燃機関
１１  エンジン
１２  気筒
１３  給気
１４  排ガス
１５  過給機
１６  ターボ過給機
１７  ターボ過給機
１８  タービン
１９  タービン
２０  圧縮機
２１  圧縮機
２２  給気冷却器
２３  排ガス再循環装置
２４  排ガス再循環バルブ
２５  排ガス再循環冷却器
２６  排ガス再循環冷却器
２７  添加剤
２８  ノズル
２９  液滴セパレータ
３０  凝縮水
３１  送風機
３２  アンモニア発生器
３３  ノズル
３４  添加剤
３５  加水分解触媒
【図１】
2014163385.tif 000003
【図２】
2014163385.tif 000004
【外国語明細書】
2014163385000001.pdf