(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼機関システム（１）であって、
機関データを有し、硫黄含有量が少なくとも０．０５％である燃料によって駆動され、かつ排気ガスを発生させる内燃機関（２）と、
前記内燃機関の下流側に配置された熱交換機（３）と、
前記内燃機関（２）からの前記排気ガスを浄化するためのガス浄化装置（４）であって、前記ガス浄化装置（４）は：
前記排気ガスを受け取るために前記内燃機関（２）に流体接続された窒素酸化物還元ユニット（５）であって、容積が少なくとも２００リットルである１つ以上の触媒反応体（６）を備える窒素酸化物還元ユニット（５）と、
前記窒素酸化物還元ユニット（５）に流体接続された還元剤供給ユニット（７）であって、前記還元剤供給ユニット（７）は：
前記排気ガスが前記窒素酸化物還元ユニット（５）に流入する際またはその前に前記排気ガスに所定の量の還元剤（１８）を添加する添加ユニット（９）を備える還元剤供給ユニット（７）と、
前記排気ガス中の窒素酸化物濃度を測定するために前記窒素酸化物還元ユニット（５）の下流側に配置された窒素酸化物センサ（１０）と、
を備えるガス浄化装置（４）と、を備え、
前記ガス浄化装置（４）は、前記窒素酸化物センサ（１０）によって測定された前記窒素酸化物濃度が前記排気ガス中の窒素酸化物濃度の既定値よりも低いときに前記窒素酸化物還元ユニット（５）に供給される前記還元剤（１８）の量を低減させるように構成された制御ユニット（１６）をさらに備えており、
前記窒素酸化物センサ（１０）は、前記排気ガス中の窒素酸化物濃度を測定するために、前記窒素酸化物還元ユニット（５）の下流側かつ前記熱交換機（３）の上流側にのみ配置され、還元剤（１８）の量は、前記機関データから導かれることを特徴とする、燃焼機関システム。
【請求項２】
前記還元剤（１８）はアンモニアを含む、請求項１に記載の燃焼機関システム。
【請求項３】
前記触媒反応体（６）は、動作時に少なくとも１００グラムのＮＨ３を保持するように構成される、請求項１または２に記載の燃焼機関システム。
【請求項４】
前記触媒反応体（６）は、動作時に少なくとも１５０グラムのＮＨ３を保持するように構成される、請求項１または２に記載の燃焼機関システム。
【請求項５】
前記触媒反応体（６）は、動作時に少なくとも１８０グラムのＮＨ３を保持するように構成される、請求項１または２に記載の燃焼機関システム。
【請求項６】
前記窒素酸化物センサ（１０）の作動を制御するように構成されたタイマ（１７）をさらに備える、請求項１または２に記載の燃焼機関システム。
【請求項７】
前記ガス浄化装置（４）は、前記窒素酸化物センサ（１０）を保守または交換のために切り離すための切離し手段（１９）をさらに備える、請求項１から６のいずれか一項に記載の燃焼機関システム。
【請求項８】
請求項１から７のいずれか一項に記載の燃焼機関システム（１）内の熱交換機（３）における硫酸水素アンモニウム（ＡＢＳ）の形成を低減させる窒素酸化物還元方法であって、
前記内燃機関（２）の機関データを求めるステップと、
前記排気ガス中の窒素酸化物濃度を窒素酸化物濃度の既定値まで低減させるために、前記機関データおよび前記内燃機関（２）の動作条件に基づいて、前記排気ガスが前記窒素酸化物還元ユニット（５）に流入する際またはその前に前記排気ガスに添加すべき還元剤（１８）の量を算出するステップと、
前記量の還元剤（１８）を前記窒素酸化物還元ユニット（５）に添加するステップと、
前記窒素酸化物センサ（１０）によって前記窒素酸化物還元ユニット（５）の下流側でかつ前記熱交換機（３）の上流側のみで前記ガスの前記窒素酸化物濃度を測定するステップと、
前記測定された窒素酸化物濃度を窒素酸化物濃度の前記既定値と比較するステップと、
前記測定された窒素酸化物濃度が前記既定値よりも低い場合に前記制御ユニット（１６）によって前記還元剤（１８）の量を低減させるステップと、
を含む窒素酸化物還元方法。
【請求項９】
前記還元剤（１８）の量を低減させる前記ステップは、蓄積された還元剤（１８）を前記窒素酸化物還元ユニット（５）において使用するように、前記測定された窒素酸化物濃度が前記既定値よりも高くなるまで繰り返される、請求項８に記載の窒素酸化物還元方法。
【請求項１０】
前記還元剤（１８）の量を低減させる前記ステップは、連続する少なくとも２つの窒素酸化物濃度測定値が前記既定値よりも小さいときに実行される、請求項８または９に記載の窒素酸化物還元方法。
【請求項１１】
前記窒素酸化物センサ（１０）をタイマ（１７）によって所定の間隔で作動させるステップをさらに含む、請求項１０に記載の窒素酸化物還元方法。
【請求項１２】
前記タイマ（１７）を用いて前記窒素酸化物センサを所定の間隔で作動させるステップをさらに含む、請求項１１に記載の窒素酸化物還元方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特許文献１で知られている燃焼機関システム内の熱交換機における硫酸水素アンモニウム（ＡＢＳ）の形成を低減させる燃焼機関システムおよび窒素酸化物還元方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
船舶用内燃機関を有する船舶は国際海事機関（ＩＭＯ）からのガイドラインによって窒素酸化物の排出量が制限されている。Tier IIIのガイドラインに関する最近の提案では、船舶が排出規制海域の海岸から特定の距離内にあるときに窒素酸化物排出量を３．４ｇ／ｋＷｈに低減させる目標が定められている。
【０００３】
海運用途では、動的動作と燃料における高硫黄濃度の両方に関して問題がある。さらに、船舶は、その船舶が前回どこで燃料を補給したかに応じて使用される燃料の品質が異なることが多く、同じ船舶が通常の航行中に大幅に異なる環境条件で運航することが多く、すなわち、カリブ海では熱帯条件で運航し北海では冬季気象条件で運航する。燃料の品質の変動、動作条件、および環境条件の変動は、船舶機関の窒素酸化物排出量に顕著な影響を及ぼす。したがって、船舶用燃焼機関の窒素酸化物排出量を抑制する現在のシステムは、窒素酸化物排出量を３．４ｇ／ｋＷｈに低減させる目標に到達するのに十分ではない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１０／０２０５９４０号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の目的は、従来技術の上記の欠点および難点の全体および一部を解消することである。より具体的には、目的は、窒素酸化物濃度を低減させるTier IIIガイドラインを実現することのできる改良された内燃機関システムを提供することである。
【０００６】
さらに、本発明の目的は、アンモニアスリップを回避して内燃機関システムの熱交換機におけるＡＢＳの形成を防止し、しかもTier IIIガイドラインを実現することを可能にすることである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の目的は、以下の説明から明らかになる他の多数の目的、利点、および特徴と一緒に、燃焼機関システムであって、
機関データを有し、硫黄含有量が少なくとも０．０５％である燃料によって駆動され、排気ガスを発生させる内燃機関と、
内燃機関の下流側に配置された熱交換機と、
内燃機関からの排気ガスを浄化するためのガス浄化装置であって、
内燃機関に流体接続され排気ガスを受け取る窒素酸化物還元ユニットであって、容積が少なくとも２００リットルである１つまたは複数の触媒反応体を備える窒素酸化物還元ユニットと、
窒素酸化物還元ユニットに流体接続された還元剤供給ユニットであって、
排気ガスが窒素酸化物還元ユニットに流入する際またはその前に排気ガスにある量の還元剤を添加する添加ユニットであって、還元剤の量が機関データから導かれる添加ユニットを備える還元剤供給ユニットと、
窒素酸化物還元ユニットの下流側に配置され排気ガス中の窒素酸化物濃度を測定する窒素酸化物センサとを備えるガス浄化装置とを備え、
ガス浄化装置が、窒素酸化物センサによって測定された窒素酸化物濃度が排気ガス中の窒素酸化物濃度の事前に設定された規定値よりも低いときに窒素酸化物還元ユニットに供給される還元剤の量を低減させるように構成された制御ユニットをさらに備える燃焼機関システムによる本発明に従った解決手段によって実現される。
【０００８】
窒素酸化物還元ユニットに供給される還元剤の量を低減させるように構成された制御ユニットを有することによって、添加ユニットの構成全体を調整することなしに、窒素酸化物還元ユニットに供給される還元剤の量を容易に調整することができる。さらに、窒素酸化物センサは、添加ユニットがある量の還元剤を添加するたびにガス中の窒素酸化物濃度を測定するとは限らない。窒素酸化物濃度を測定するように構成された窒素酸化物センサは、非常にコストがかかり、１つの窒素酸化物センサは交換される前に特定の回数しか測定を行うことができない。したがって、本燃焼機関システムによって、窒素酸化物センサは窒素酸化物濃度を、添加に依存しない特定の間隔で測定し、たとえば、１０回添加するたびに１回測定するに過ぎず、窒素酸化物センサの寿命が１０倍長くなる。
【０００９】
一実施形態では、還元剤はアンモニア（ＮＨ３）を含んでよい。
【００１０】
したがって、還元剤は尿素水溶液、アンモニア水溶液、または無水アンモニア（気体アンモニア）を含んでよい。
【００１１】
海運用途では、一方では要求される窒素酸化物排出量制限を実現し、他方では還元剤の消費量を最小限に抑え、望ましくないアンモニアスリップを回避するうえで、還元剤の量を慎重に調節することが極めて重要である。船舶用機関システムにおいて発生するアンモニアスリップは、船舶燃料の硫黄とともに、船舶において熱交換機器の下流側にＡＢＳが堆積する悪影響を及ぼす。そのような堆積は、機関の動作に悪影響を与え、かつ船舶の運航を阻害する恐れがある。
【００１２】
窒素酸化物センサが、ガス中の窒素酸化物濃度が特定の値よりも低く、したがって、窒素酸化物濃度が十分に低下したことを検出すると、ＮＨ３が触媒反応体内部で蓄積を開始する。その後、触媒反応体はそれ以上ＮＨ３（アンモニア）を蓄積できなくなり、アンモニアがガスと一緒に触媒反応体から放出され、さらに熱交換機に流入し、このことはアンモニアスリップとも呼ばれる。アンモニア含有ガスが熱交換機内で冷却すると、排気ガスが機関燃料から発生する硫黄も含むので硫酸水素アンモニウム（ＡＢＳ）が熱交換機の内面上に析出する。したがって、このようなＡＢＳ析出物は主として、硫黄含有燃料で動作するディーゼル機関にとって問題になり、通常、超低硫黄軽油（ＵＬＳＤ）で動作する自動車の機関では問題にならない。ＡＢＳ析出物は熱交換機の機能を制限し、さらに、熱交換機からＡＢＳ析出物を再び除去することは非常に困難であり、熱交換機が交換されることが多い。
【００１３】
別の実施形態では、触媒反応体は、動作時に少なくとも１００グラムのＮＨ３を保持し、好ましくは動作時に少なくとも１５０グラムのＮＨ３を保持し、より好ましくは動作時に少なくとも１８０グラムのＮＨ３を保持するように構成されてよい。
【００１４】
さらに、還元剤供給ユニットは、還元剤を含む容器を備えてよい。
【００１５】
さらに、添加ユニットによって容器から添加される還元剤の量は、機関データから導かれる還元剤の事前に設定された量であってよい。
【００１６】
海運会社内での内燃機関の工場試験および使用試験の間、ガス浄化装置の基本的な制御のために機関データが得られる。
【００１７】
別の実施形態では、ガス浄化装置の触媒反応体が内燃機関の高圧側に配置されてよい。
【００１８】
さらに、燃焼機関システムは、内燃機関の下流側に配置されたターボチャージャをさらに備えてよい。
【００１９】
さらに、ターボチャージャはタービンと圧縮機とを備えてよい。
【００２０】
さらに、窒素酸化物センサは触媒反応体とターボチャージャとの間またはターボチャージャと熱交換機との間に配置されてよい。
【００２１】
さらに、内燃機関の高圧側は内燃機関の下流側でかつターボチャージャの上流側であってよい。
【００２２】
燃焼機関システムは、触媒反応体の上流側および／または下流側に配置され、ガスの温度を測定する温度センサをさらに備えてよい。
【００２３】
さらに、燃焼機関システムは、内燃機関の下流側で排気ガスの体積流量を測定するための流量センサを備えてよい。
【００２４】
さらに、燃焼機関システムは窒素酸化物センサの作動を制御するように構成されたタイマを備えてよい。
【００２５】
一実施形態において、タイマは窒素酸化物センサを特定の間隔で作動させてよい。
【００２６】
間隔は窒素酸化物センサによって行われる測定に応じて変更されてよい。
【００２７】
ガス浄化装置は、窒素酸化物センサを保守または交換のために切り離すための切離し手段をさらに備えてよい。
【００２８】
さらに、ガス浄化装置は、容器と触媒反応体を流体接続する供給配管を洗浄するための洗浄ユニットを備えてよい。
【００２９】
さらに、ガス浄化装置は、触媒反応体の上流側および／または下流側に配置されガスをサンプリングするガスサンプリングユニットを備えてよい。
【００３０】
一実施形態において、事前に設定される値は、内燃機関から放出される３．４ｇ ＮＯｘ／ｋＷｈであり、好ましくは内燃機関から放出される３．４ｇ ＮＯｘ／ｋＷｈ未満であってよい。
【００３１】
燃焼機関システムは排気ガスだめをさらに備えてよい。
【００３２】
さらに、燃焼機関システムは、内燃機関から窒素酸化物還元ユニットを迂回してターボチャージャのタービンに達するように排気ガスの一部を迂回させるためのバイパス流路を備えてよい。
【００３３】
本発明は、上述のように燃焼機関システム内の熱交換機における硫酸水素アンモニウム（ＡＢＳ）の形成を低減させる窒素酸化物還元方法であって、
内燃機関の機関データを求めるステップと、
機関データおよび内燃機関の動作条件に基づいて排気ガスが窒素酸化物還元ユニットに流入する際またはその前に排気ガスに添加すべき還元剤の量を算出し、排気ガス中の窒素酸化物濃度を窒素酸化物濃度の既定値に低減させるステップと、
上記量の還元剤を窒素酸化物還元ユニットに添加するステップと、
窒素酸化物センサによって窒素酸化物還元ユニットの下流側でかつボイラの上流側でガスの窒素酸化物濃度を測定するステップと、
測定された窒素酸化物濃度を窒素酸化物濃度の既定値と比較するステップと、
測定された窒素酸化物濃度が規定値よりも低い場合に制御ユニットによって還元剤の量を低減させるステップと、を含む方法にさらに関する。
【００３４】
一実施形態において、還元剤の量を低減させるステップが、測定された窒素酸化物濃度が規定値よりも高くなるまで繰り返され、蓄積された還元剤を窒素酸化物還元ユニットにおいて使用してよい。
【００３５】
さらに、還元剤はアンモニア（ＮＨ３）を含んでよい。
【００３６】
さらに、還元剤の量を低減させるステップは、その後の少なくとも２つの窒素酸化物濃度測定値が規定値よりも小さいときに実行されてよい。
【００３７】
別の実施形態において、窒素酸化物還元方法は、窒素酸化物センサをタイマによって所定の間隔で作動させるステップをさらに含んでよい。
【００３８】
さらに、窒素酸化物還元方法は、タイマが窒素酸化物センサを作動させる所定の間隔を調整するステップを含んでよい。
【００３９】
還元剤の量を低減させるステップは、その後の２つの窒素酸化物濃度測定値のうちの第２の窒素酸化物濃度測定値が２つの窒素酸化物濃度測定値のうちの第１の窒素酸化物濃度測定値よりも小さいときに実行されてよい。
【００４０】
最後に、窒素酸化物還元方法は、その後の２つの窒素酸化物濃度測定値のうちの第２の窒素酸化物濃度測定値が２つの窒素酸化物濃度測定値のうちの第１の窒素酸化物濃度測定値よりも小さいときには、窒素酸化物センサをより頻繁に作動させるステップをさらに含んでよい。
【００４１】
本発明およびその利点について以下に、添付の概略図を参照してより詳しく説明する。各図は例示のためにいくつかの非制限的な実施形態を示す。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】ガス浄化装置を有する燃焼機関システムの図である。
【図２】高圧側にガス浄化装置を有する燃焼機関システムの図である。
【図３】窒素酸化物センサがタービンの下流側に配置された燃焼機関システムの別の実施形態の図である。
【図４】窒素酸化物センサがタービンの上流側に配置された燃焼機関システムの別の実施形態の図である。
【図５】低圧側にガス浄化装置を有する燃焼機関システムの図である。
【図６】いくつかのセンサを有する別の燃焼機関システムの図である。
【図７】２つの触媒反応体を含むガス浄化装置を有する別の燃焼機関システムの図である。
【図８】触媒反応体にアンモニアが充填される前後の窒素酸化物測定値のグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００４３】
すべての図は非常に概略的であり、必ずしも縮尺通りに描かれてはおらず、本発明を理解するために必要な部品のみを示してり、他の部品は省略されているかまたは単に示唆されている。
【００４４】
図１は、内燃機関２と、内燃機関２からの排気ガスを浄化するためのガス浄化装置４とを備える燃焼機関システム１を示す。内燃機関２は、少なくとも０．０５％の硫黄含有量を有する重油などの燃料によって駆動されて排気ガスを発生させ、排気ガスが、ガス中の窒素酸化物濃度を低下させるためにガス浄化装置４内で浄化される。ガス浄化装置４は、機関２に流体接続され、排気ガスおよび触媒反応体６を受け取り、内部で還元プロセスが行われる窒素酸化物還元ユニット５を備える。窒素酸化物の排出量は、排気ガスが窒素酸化物還元ユニット５の触媒反応体６に流入する際またはその前にある量の還元剤を排気ガスに添加することによって低減される。したがって、ガス浄化装置４は、還元剤供給ユニット７と、所定量の還元剤を添加するための添加ユニット９とを備える。還元剤供給ユニット７は、窒素酸化物還元ユニット５に流体接続され、したがって、添加ユニット９は還元剤を排気ガス中に放出することができる。還元剤１８の量は、内燃機関２を実現し、その後内燃機関２を試験する際に収集される機関データから導かれる。さらに、還元剤１８の量は、周囲温度、湿度、および圧力の変動に関して調整される。還元剤１８は排気ガス中の窒素酸化物濃度を低減させるのに適した任意の溶液であってよい。したがって、還元剤１８はアンモニア（ＮＨ３）を含んでよい。還元剤１８は、尿素水溶液、アンモニア水溶液、または無水アンモニア（気体アンモニア）を含んでよい。なぜなら、このような溶液は還元プロセスにおいて非常に効率的であるからである。
【００４５】
海運用途では、内燃機関内において、一方ではTier IIIの要求される窒素酸化物排出量制限を実現し、他方では還元剤の消費量を最低限に抑えかつ望ましくないアンモニアスリップを回避するうえで、還元剤の量を慎重に調節することが極めて重要である。図１に示すように、燃焼機関システム１は、内燃機関２およびガス浄化装置４の下流側に配置された、ボイラなどの熱交換機３をさらに備える。触媒反応体６の総容積が少なくとも２００リットルであるにもかかわらず、アンモニアの添加量が調節されない場合、余分なＮＨ３（アンモニア）が蓄積され触媒反応体６を充填する可能性がある。触媒反応体６が充填されると、アンモニアが流出し(slip)、熱交換機３に流入することがあり、排気ガスが重油の硫黄も含むので、熱交換機３内でアンモニアおよび硫黄がＡＢＳ（硫酸水素アンモニウム）として堆積する。ＡＢＳは、形成された後容易に除去されず、熱交換機３の機能を低下させる。したがって、そのような堆積は、機関の動作に悪影響を及ぼし、コンテナスリップ(container slip)のように船舶の運航を阻害する恐れがある。
【００４６】
ＡＢＳの析出を回避するために、ガス浄化装置４は、窒素酸化物センサ１０によって測定される排気ガス中の窒素酸化物濃度が事前に設定された規定値よりも低いときに窒素酸化物還元ユニット５に供給される還元剤１８の量を低減させるように構成された制御ユニット１６をさらに備える。制御ユニット１６は、排気ガス中の窒素酸化物濃度を測定する際に窒素酸化物還元ユニット５と熱交換機３との間に配置された窒素酸化物センサ１０と協働する。窒素酸化物センサ１０は、触媒反応体６の下流側で窒素酸化物濃度を測定し、ガスの窒素酸化物濃度が３．４ｇ／ｋＷｈなどの特定のレベルよりも低くなった場合、制御ユニット１６が触媒反応体６内または触媒反応体６の上流側で排気ガスに添加されるアンモニアの量を制限する。
【００４７】
窒素酸化物還元ユニット５に供給される還元剤１８の量を低減できることによって、内燃機関２の構成全体を調整する必要なしに、窒素酸化物還元ユニット５に供給される還元剤の量を容易に調整することができる。さらに、添加ユニット９がある量の還元剤１８を添加するたびに窒素酸化物センサ１０がガス中の窒素酸化物濃度を測定する必要はない。なぜなら、異なる量の還元剤１８を添加するための制御ユニットからの制御信号が受け取られない場合、この量が添加ユニット９に事前に設定されるからである。窒素酸化物濃度を測定するように構成された窒素酸化物センサ１０は、非常にコストがかかり、１つの窒素酸化物センサ１０は交換することが必要になる前に特定の回数しか測定を行うことができない。本燃焼機関システム１において、窒素酸化物センサ１０は窒素酸化物濃度を、添加に依存しない特定の間隔で測定し、たとえば、１０回添加するたびに１回測定するだけでよく、窒素酸化物センサ１０の寿命が１０倍長くなる。
【００４８】
窒素酸化物センサ１０が、ガス中の窒素酸化物濃度が特定の値よりも低く、したがって、窒素酸化物濃度が必要な値よりも低下したことを検出すると、ＮＨ３が触媒反応体６内部で蓄積を開始する。その後、触媒反応体６にアンモニアが蓄積してアンモニアスリップが生じるのを回避するために、制御ユニット１６は、ガスに放出される還元剤１８の量を低減させる。
【００４９】
触媒反応体６は、動作時に少なくとも１００グラムのＮＨ３を保持または蓄積するように構成される。触媒反応体６は、温度および圧力に応じて、動作時に少なくとも１５０グラムのＮＨ３を蓄積し、場合によっては動作時に少なくとも１８０グラムのＮＨ３を蓄積することができる。
【００５０】
添加ユニット９によって添加されるＮＨ３を含む還元剤１８の量は、機関データから求められる還元剤１８の事前に設定された量であってよい。内燃機関２を構成する際、内燃機関２の広範囲な試験の間に還元剤１８の事前に設定される一定の量が求められるが、この量は内燃機関２の開発時の計算に基づく。したがって、この実施形態において、添加量は、一定であり、窒素酸化物センサ１０から窒素酸化物測定値に関する情報を受け取る制御ユニット１６によってのみ調整することができる。
【００５１】
添加ユニット９によって添加される還元剤１８の量は常に、窒素酸化物濃度が十分に低下され、したがって、動作時に、ガス浄化装置４の上流側の排気ガスの窒素酸化物濃度が変動し、それによって、排気ガス中の窒素酸化物濃度がより低い期間中に触媒反応体６にアンモニアが蓄積され得るように設定される。したがって、添加ユニット９は、窒素酸化物濃度がＩＭＯ規制に準拠するように十分に低下されるように還元剤をある程度過添加するように周期的に設定され、触媒反応体６内の蓄積されたアンモニアは必ずしも後で使用されるとは限らない。このように、制御ユニット１６を有さない燃焼機関システム内のアンモニアはアンモニアを蓄積させ、アンモニアスリップが生じ、熱交換機３内にＡＢＳが形成される。
【００５２】
図２において、還元剤供給ユニット７は、所定の量の還元剤を添加するために添加ユニット９と流体連通する還元剤１８を含む容器８を有する。ガス浄化装置４の触媒反応体６は、内燃機関２の下流側でかつターボチャージャ１２の上流側である内燃機関２の高圧側に配置される。ターボチャージャ１２は、排気ガスによって駆動され、シャフト１５によって圧縮機１４に接続され、圧縮機１４を回転させ新鮮なガスを圧縮して内燃機関２に進入させるタービン１３を備える。窒素酸化物センサ１０は触媒反応体６とターボチャージャ１２のタービン１３との間に配置され、図３において、窒素酸化物センサ１０はターボチャージャとターボチャージャの低圧側の熱交換機３との間に配置される。
【００５３】
図１〜図３において、制御ユニット１６は、点線の通信線２０によって示される、窒素酸化物センサ１０によって実行される測定に基づいて添加ユニット９を制御する。図３において、制御ユニット１６は、添加ユニット９とも通信して、添加ユニット９によって添加される還元剤１８の量を調整し、たとえば、添加ユニット９が長期間にわたって過度に多くのアンモニアを添加した場合、アンモニアをさらに添加する代わりに、触媒反応体６内の蓄積された量のアンモニアが使用されるように量を調整することができる。このようにして、触媒反応体６からアンモニアが空になる。
【００５４】
図３に示すように、制御ユニット１６は窒素酸化物センサ１０の作動を制御するように構成されたタイマ１７を備える。窒素酸化物センサ１０は、添加ユニット９がアンモニアを添加することが必要になるたびに窒素酸化物濃度を測定するとは限らず、特定の間隔で窒素酸化物濃度を測定し、窒素酸化物センサを制御するために、タイマを使用してこの特定の間隔で窒素酸化物センサ１０を作動させる。制御ユニット１６は、たとえば、その後の２つの窒素酸化物濃度測定値が事前に設定された値よりも低いとき、すなわち、窒素酸化物濃度が３．４ｇ／ｋＷｈよりも低い値に低下したときに、制御ユニット１６を作動させて、アンモニアが触媒反応体６に蓄積しないようにアンモニアの添加量をさらに低減させるように、窒素酸化物センサをより頻繁に作動させるようにタイマ１７を調整するように構成される。したがって、事前に設定される値は、内燃機関２から放出されるガスにおける約３．４ｇ ＮＯｘ／ｋＷｈである。事前に設定される値は内燃機関に対して認可試験を実施するときの値に相当する。したがって、事前に設定される値は機関負荷の関数としての添加量、機関負荷の関数としての窒素酸化物の低減された量の割合、またはモータ負荷の関数としての窒素酸化物排出量であってもよい。したがって、すべてのこれらの値は、たとえば、認可試験を実施するときの事前に設定される値約３．４ｇ ＮＯｘ／ｋＷｈに相当する。
【００５５】
制御ユニット１６は、たとえば、内燃機関２が温度を変化させるときなどに添加量を調整できるように、図４に点線１１として示されるように内燃機関２の状態に関する情報をさらに受け取る。図６に示すように、燃焼機関システム１は、触媒反応体６の上流側に配置されガスの温度を測定する温度センサ２７をさらに備えてよい。温度センサ２７は、ガスの温度を測定するように触媒反応体６の下流側に配置されてもよい。燃焼機関システム１は、内燃機関２の下流側の排気ガスの体積流量を測定するための流量センサ２８をさらに備える。燃焼機関システム１は、圧力センサなどの他のセンサを備えてもよい。したがって、制御ユニット１６は内燃機関２の制御システムの一部である。
【００５６】
図５は、ターボチャージャ１２の低圧側にガス浄化装置４を有する燃焼機関システム１の図を示す。したがって、ガス浄化装置４は、窒素酸化物還元ユニット５が、ガスがタービン１３を通過した後でガスを受け取るように内燃機関２に流体接続されるように、ターボチャージャ１２のタービン１３の下流側に流体配置される。窒素酸化物センサ１０は、窒素酸化物還元ユニット５の下流側でかつ熱交換機３の上流側に配置される。
【００５７】
制御ユニット１６は、排気ガスが触媒反応体６に流入する直前に排気ガスに添加されるアンモニアの量を低減させるように構成される。
【００５８】
図６において、ガス浄化装置４は、保守、較正、または交換時に窒素酸化物センサ１０を切り離すための切離し手段１９をさらに備える。添加ユニット９が窒素酸化物センサ１０からの測定値に依存しないので、切離し手段１９により窒素酸化物センサ１０を切り離すことによって２回の測定の間に保守作業を実行することができる。したがって、窒素酸化物センサ１０の保守または変位時に、燃焼機関システム１は依然として動作して窒素酸化物還元を実行することができる。図６に示すように、添加ユニット９は還元剤１８を触媒反応体６内に直接添加してよい。
【００５９】
ガス浄化装置は、窒素酸化物センサ１０を清浄化するための洗浄ユニット２１をさらに備える。容器８と触媒反応体６を流体接続する供給配管２２を洗浄するための別の洗浄ユニット（不図示）が配置されてよい。ガス浄化装置は、窒素酸化物センサ１０に接続されるように配置され、制御のためにガスをサンプリングするガスサンプリングユニット２３をさらに備える。図６において、燃焼機関システム１は排気ガスだめ２４をさらに備える。さらに、燃焼機関システム１は排気ガスの一部を内燃機関２から窒素酸化物還元ユニット５を迂回してターボチャージャ１２のタービンに達するように迂回させるためのバイパス流路２５を備える。
【００６０】
図７において、燃焼機関システム１は、２つの触媒反応体６を有する窒素酸化物還元ユニット５を備える。添加ユニット９はある量の還元剤１８を触媒反応体６の上流側の排気ガスの流れに添加し、流れは次いで触媒反応体６に送られる。別の燃焼機関システムにおいて、還元剤供給ユニット７は、各添加ユニット９が還元剤を触媒反応体６に添加するようにどちらの添加ユニット９も制御ユニット１６によって制御される２つの添加ユニット９を備える。
【００６１】
図８は、触媒反応体にアンモニアが充填される前後の窒素酸化物測定値のグラフであり、アンモニアスリップが点「Ｂ」で生じている。窒素酸化物濃度が過度に低下されると、過添加が生じ、点「Ａ」で開始する。過添加がある時間、たとえば約１時間にわたって行われると、触媒反応体にアンモニアが充填され、アンモニアスリップが点「Ｂ」で生じ、その後継続する。アンモニアスリップは、本発明を使用することによって大幅に低減されるかまたは完全に除去され得る。時間Ａの直後に、制御ユニットは窒素酸化物センサ信号を使用して添加を制限し、窒素酸化物濃度を事前に設定された値よりも高くしてよい。この場合、触媒反応体に蓄積される余分なアンモニアが回避され、時間Ｂにおいてアンモニアスリップはまったくまたはほとんど生じない。
【００６２】
燃焼機関システム１内の熱交換機３における硫酸水素アンモニウム（ＡＢＳ）の形成が低減され、測定された窒素酸化物濃度が事前に設定された値よりも低い場合に還元剤１８の添加量が制限される。まず、内燃機関２の機関データが求められ、機関データおよび内燃機関２の動作状態に基づいて、ガスが窒素酸化物還元ユニット５に流入する際またはその前にガスに添加される還元剤１８の量が算出される。次いで、添加ユニット９によって上記量の還元剤１８が窒素酸化物還元ユニット５に添加され、窒素酸化物還元ユニット５の下流側で熱交換機３の上流側のガスの窒素酸化物濃度が窒素酸化物センサ１０によって測定される。次いで、測定された窒素酸化物濃度が窒素酸化物濃度の事前に設定された値と比較され、測定された窒素酸化物濃度が事前に設定された値よりも低い場合に制御ユニット１６によって還元剤１８の添加量が低減される。還元剤１８の量を低減させるステップは、蓄積された還元剤１８を窒素酸化物還元ユニット５において使用するように、測定された窒素酸化物濃度が事前に設定された値よりも高くなるまで繰り返される。
【００６３】
還元剤１８の量を低減させるステップは、一実施形態では、その後の少なくとも２つの窒素酸化物濃度測定値が事前に設定された規定値よりも低くなり、たとえば、３．４ｇ ＮＯｘ／ｋＷｈよりも低くなるまで実行されない。これによって、測定値は単なる一連の測定値におけるピークではなくなる。さらに、還元剤の量を低減させるステップは、制御ユニット１６によって添加量をさらに制限する前に窒素酸化物濃度が低下していることを示すように、その後の２つの窒素酸化物濃度測定値のうちの第２の窒素酸化物濃度測定値が２つの窒素酸化物濃度測定値のうちの第１の窒素酸化物濃度測定値よりも低くなるまで実行されなくてよい。
【００６４】
さらに、窒素酸化物センサは、その後の２つの窒素酸化物濃度測定値のうちの第２の窒素酸化物濃度測定値が２つの窒素酸化物濃度測定値のうちの第１の窒素酸化物濃度測定値よりも低くなったときにより頻繁に作動されてよい。なぜなら、過添加が検出され、次いでアンモニアが触媒反応体に蓄積することがあり、したがって、アンモニアスリップを防止するにはガスの窒素酸化物濃度をより頻繁に測定する必要があるからである。
【００６５】
本発明について上記に本発明の好ましい実施形態に関連して説明したが、特許請求の範囲によって定義されるような本発明から逸脱せずにいくつかの修正形態を想定可能であることが当業者には明らかになろう。
【符号の説明】
【００６６】
１  燃焼機関システム
２  内燃機関
３  熱交換機
４  ガス浄化装置
５  窒素酸化物還元ユニット
６  触媒反応体
７  還元剤供給ユニット
８  容器
９  添加ユニット
１０  窒素酸化物センサ
１２  ターボチャージャ
１３  タービン
１４  圧縮機
１５  シャフト
１６  制御ユニット
１７  タイマ
１８  還元剤
１９  切離し手段
２１  洗浄ユニット
２２  供給配管
２３  ガスサンプリングユニット
２４  排気ガスだめ
２５  バイパス流路
２７  温度センサ
２８  流量センサ
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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