(57)【要約】【課題】内燃機関の新規の排気後処理法、及び、新規の内燃機関を提供する。【解決手段】内燃機関（１０）、とりわけ少なくとも一つの排気ターボチャージャ（１３）を介した少なくとも一段の排気ターボ過給、及び、ＳＣＲ触媒（１４）を介した排気浄化を有する、重油で運転される内燃機関における排気後処理法であって、ＳＣＲ触媒（１４）は排気の流れの方向において当該排気ターボチャージャ（１３）又は各排気ターボチャージャ（１３）の上流に配置され、排気の流れの方向においてＳＣＲ触媒（１４）の下流かつ当該排気ターボチャージャ（１３）又は各排気ターボチャージャ（１３）の上流で二酸化硫黄が三酸化硫黄に酸化され、排気の流れの方向において当該排気ターボチャージャ（１３）又は各排気ターボチャージャ（１３）の下流で、三酸化硫黄が硫酸に凝縮されて硫酸として排気から除去される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関、とりわけ少なくとも一つの排気ターボチャージャ及び排気の脱硫装置を介した少なくとも一段の排気ターボ過給を有する、重油で運転される内燃機関における排気後処理方法において、排気ターボチャージャの上流に二酸化硫黄を酸化するための触媒が設けられており、排気の流れの方向において当該排気ターボチャージャ又は各排気ターボチャージャの下流で三酸化硫黄が硫酸に凝縮され、硫酸及び／又は硫酸塩として排気から除去されることを特徴とする方法。
【請求項２】
上記触媒の上流に、二酸化硫黄の酸化のために、選択触媒還元するための触媒が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記ＳＣＲ触媒の上流において排気内にアンモニア及び／又は排気内でアンモニアに変換されるアンモニア前駆体が供給されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記アンモニア及び／又はアンモニア前駆体は、供給比がＮＨ３／ＮＯＸ＞１となるよう排気内に供給されるために、前記ＳＣＲ触媒の下流においてアンモニアが排気内に存在し、それが硫酸の中和に用いられることを特徴とする請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記ＳＣＲ触媒の上流で排気部分流が分岐しており、この排気部分流を介して硫酸凝縮の下流で硫酸にアンモニアを供給可能であり、このアンモニアが硫酸の中和に使用されることを特徴とする請求項３に記載の方法。
【請求項６】
前記ＳＣＲ触媒の上流で排気部分流が分岐し、この排気部分流を介して前記硫酸凝縮の上流で排気にアンモニアを供給可能であり、このアンモニアが硫酸の中和に使用されることを特徴とする請求項３に記載の方法。
【請求項７】
前記排気部分流の排気がさらなるＳＣＲ触媒を通して案内されることを特徴とする請求項５又は６に記載の方法。
【請求項８】
前記排気部分流の排気が、アンモニア前駆体を加水分解するために加水分解触媒を通して案内されることを特徴とする請求項５から７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項９】
前記ＳＯ２酸化触媒の活性元素として、バナジウム、ナトリウム、カリウム、セリウム、鉄、セシウムのグループから選ばれた少なくとも一つの元素又はその酸化物が使用されることを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１０】
バナジウムの割合が５％より高く、望ましくは７％より高く、最も望ましくは９％より高いことを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１１】
内燃機関であって、請求項１から１０のいずれか一項に記載の方法を実施するために、少なくとも一つの排気ターボチャージャ（１３）及び排気の脱硫装置を介した、少なくとも一段の排気ターボ過給を有する内燃機関において、排気ターボチャージャ（１３）の上流に二酸化硫黄を酸化するための触媒（１８）が設けられており、排気の流れの方向において当該排気ターボチャージャ又は各排気ターボチャージャの下流にＨ２ＳＯ４凝縮器（１９）が配置されていて、それにより三酸化硫黄が硫酸の形に凝縮されて排気から除去されることを特徴とする内燃機関。
【請求項１２】
前記触媒の上流に、二酸化硫黄を酸化するために、選択触媒還元を行うための触媒が設けられることを特徴とする請求項１１に記載の内燃機関。
【請求項１３】
前記ＳＣＲ触媒（１４）の上流で前記排気内にアンモニア又は、排気内でアンモニアに変換可能なアンモニア前駆体が供給可能であることを特徴とする請求項１２に記載の内燃機関。
【請求項１４】
当該排気ターボチャージャ（１３）又は各排気ターボチャージャ（１３）の下流かつ前記Ｈ２ＳＯ４凝縮器（１９）の上流で前記排気流内に開口した、前記ＳＣＲ触媒（１４）より前で分岐するバイパスライン（２１）を特徴とする請求項１２又は１３に記載の内燃機関。
【請求項１５】
前記Ｈ２ＳＯ４凝縮器（１９）の下流で硫酸内に開口した、前記ＳＣＲ触媒（１４）より前で分岐するバイパスライン（２１）を特徴とする請求項１２又は１３に記載の内燃機関。
【請求項１６】
前記バイパスライン（２１）内にさらなる一つのＳＣＲ触媒（２２）が配置されていることを特徴とする請求項１４又は１５に記載の内燃機関。
【請求項１７】
前記バイパスライン（２１）内に加水分解触媒（２３）が配置されていることを特徴とする請求項１４又は１５に記載の内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は請求項１のおいて書きに記載の、内燃機関の排気後処理に関する。本発明はまた、請求項８のおいて書きに記載の内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１より、一段又は二段の排気過給、及び、ＳＣＲ触媒を介した排気浄化を行う内燃機関が知られている。この従来技術では、一段の排気過給において、ＳＣＲ触媒は排気ターボチャージャのタービンの下流、又は、排気ターボチャージャのタービンの上流のいずれかに配置されている。この従来技術では、２つの排気ターボチャージャを備えた二段の排気過給においては、ＳＣＲ触媒は２つの排気ターボチャージャの２つのタービンの間に配置されている。この従来技術からはさらに、バイパスラインを介してＳＣＲ触媒をバイパスし、排気を、ＳＣＲ触媒を通さずに、ＳＣＲ触媒の下流に配置された排気ターボチャージャのタービンに向かう方向に案内することがすでに知られている。バイパスラインを通る排気流は、調整装置により調整可能である。
【０００３】
ＳＣＲ触媒を用いることにより、排気内の窒素酸化物、とりわけ一酸化窒素及び二酸化窒素を定義通りに還元することはすでに可能であるが、とりわけ重油で運転される内燃機関では、追加的にＳＯ２排出を低減させる必要がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】独国特許第１０２００４０２７５９３明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の課題は、内燃機関の新規の排気後処理法、及び、新規の内燃機関を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この課題は、請求項１に記載の方法により解決される。本発明によると排気ターボ過給を行う内燃機関の排気内に、排気ターボチャージャの上流で、二酸化硫黄を酸化するための触媒が設けられ、また、排気の流れ方向において当該排気ターボチャージャ又は各排気ターボチャージャの下流で三酸化硫黄が硫酸に凝縮され、硫酸及び／又は硫酸塩として排気から除去される。
【０００７】
本発明によると、とりわけ重油で運転される内燃機関のＳＯ２排出を低減させるために２つの手段、つまり、排気過給の上流における硫黄酸化物の三酸化硫黄への酸化、及び、排気過給の下流における三酸化硫黄の硫酸への凝縮が組み合わされて使用されている。二酸化硫黄の三酸化硫黄への酸化は、ＳＯ２酸化触媒を利用して行われ、このとき、この酸化触媒における酸化が排気過給の上流で行われるために、二酸化硫黄の三酸化硫黄への酸化において排気は高温及び高圧を有しており、そのためＳＯ２酸化が最適な運転条件ですばやく進み、また、相応の予熱装置により排気を予熱する必要もない。さらに、三酸化硫黄の硫酸への凝縮が排気過給の下流で起こり、このとき三酸化硫黄の硫酸への凝縮は、排気過給の当該タービン又は各タービンによるエンタルピ落差のために窒素酸化物の二酸化窒素への酸化より明らかに低い温度で起こるため、排気過給の下流での三酸化硫黄の硫酸への凝縮も最適な運転条件で行われ、そのため効率的に行われ得る。
【０００８】
本発明によるとこの方法は、ＳＣＲ触媒をＳＯ２酸化触媒の上流に配置する形でＳＣＲ触媒と組み合わせることができる。
【０００９】
望ましくは、ＳＣＲ触媒の上流においてアンモニア及び／又は排気内でアンモニアに変換されるアンモニア前駆体が排気内に供給される。アンモニア及び／又はアンモニア前駆体がＳＣＲ触媒の上流において排気内に供給されることにより、ＳＣＲ触媒内での窒素酸化物の変換が効率的に行われる。
【００１０】
本発明の好適な第１の発展形によるとアンモニア及び／又はアンモニア前駆体は、供給比がＮＨ３／ＮＯＸ＞１になるよう排気内に供給され、それによりＳＣＲ触媒の下流で排気内にアンモニアが存在し、それが硫酸を中和するのに使用される。本発明の好適な第２の発展形によるとＳＣＲ触媒の上流かつアンモニア及び／又はアンモニア前駆体が排気内に供給される位置の下流で、排気部分流が分岐し、その排気部分流を介して、硫酸の中和に使われるアンモニアを硫酸凝縮の下流で硫酸に、又は硫酸凝縮の上流で排気に供給可能である。２つの好適な発展形により、凝縮で生じる硫酸を中和することが可能であり、しかも使用されるアンモニアはＳＣＲ触媒においていずれにせよ必要とされるものである。したがって、凝縮で生じる硫酸を中和するための塩基性成分を別個に必要としない。
【００１１】
望ましくは排気部分流の排気は、さらなるＳＣＲ触媒及び／又は加水分解触媒を通って案内される。それにより、一つには、加水分解触媒におけるＮＨ３前駆体の定量的分解が確実にされ、しかしまた、硫酸の中和に必要なＮＨ３が含まれる排気路を介して窒素酸化物が排出される。
【００１２】
本発明の内燃機関は請求項１２に定義されている。
【００１３】
本発明の望ましい発展形は、従属請求項及び以下の説明から理解できる。本発明の実施例を図を用いて詳しく説明するが、これに限定されるわけではない。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の第１の実施例の過給内燃機関の図である。
【図２】本発明の第２の実施例の過給内燃機関の図である。
【図３】本発明の第３の実施例の過給内燃機関の図である。
【図４】本発明の第４の実施例の過給内燃機関の図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明は内燃機関、とりわけ重油で運転される船舶ディーゼル内燃機関に関する。本発明はまた、そのような内燃機関の排気後処理方法に関する。
【００１６】
重油で運転される内燃機関には、内燃機関により使用される燃料、つまり重油の硫黄の含有量が高いという特殊事情がある。排気規制がますます厳しくなる中、硫黄酸化物の排出をさらに低減させることが必要である。本発明は、重油で運転される内燃機関におけるＳＯ２排出を効率的に低減させることが可能な手段又は特徴を提案する。
【００１７】
図１に図示された本発明の第１の内燃機関１０は、複数の気筒１２を持つエンジン１１、排気ターボチャージャ１３を介した排気過給、及びＳＣＲ触媒１４を介した排気浄化を有している。
【００１８】
燃料、とりわけ重油の燃焼によりエンジン１１の気筒１２内に生じる排気は、排気浄化のためにまずＳＣＲ触媒１４を通り、次に、エネルギを得るために排気ターボチャージャ１３のタービン１５を通って案内され、このとき、排気ターボチャージャ１３のタービン１５内で排気が膨張して得られたエネルギを利用して、燃料燃焼のために気筒１２に必要な給気が、排気ターボチャージャ１３のコンプレッサ１６の領域において圧縮される。
【００１９】
ＳＣＲ触媒１４の上流において排気内にアンモニア及び／又はアンモニア前駆体が供給され、このアンモニア前駆体は例えば尿素水溶液とすることができる。そのようなアンモニア前駆体は排気内においてアンモニアに変換され、ＳＣＲ触媒１４は、窒素酸化物変換における還元剤としてこのアンモニアを必要とする。
【００２０】
図１にはアンモニアが生成されるアンモニア生成装置１７が図示されており、図１においてはＳＣＲ触媒１４の上流で、エンジン１１の気筒１２から出た排気内にアンモニアが供給される。
【００２１】
本発明において、排気の流れの方向においてＳＣＲ触媒１４の下流かつ排気ターボチャージャ１３のタービン１５の上流で、排気の二酸化硫黄の二酸化窒素への酸化が行われ、つまり、図１によると、排気の流れの方向においてＳＣＲ触媒１４の下流かつ排気ターボチャージャ１３のタービン１５の上流に配置されたＳＯ２酸化触媒１８を用いて行われる。ＳＯ２酸化触媒をこのように配置することにより、ＳＯ２酸化が高温及び高圧で、つまり効率的に行われ、ＳＯ２酸化触媒１８の上流において排気の予熱は必要とされない。
【００２２】
本発明によるとさらに、排気の流れの方向において排気ターボチャージャ１３の下流、つまり排気ターボチャージャ１３のタービン１５の下流で、三酸化硫黄の硫酸への凝縮が行われ、そのために図１においては排気ターボチャージャ１３の下流、つまり排気ターボチャージャ１３のタービン１５の下流にＨ２ＳＯ４凝縮器１９が配置されている。Ｈ２ＳＯ４凝縮器１９には、排気ターボチャージャ１３のタービン１５から出た排気が供給され、Ｈ２ＳＯ４凝縮器からは一方では排気が、他方では硫酸が出るが、この硫酸は、Ｈ２ＳＯ４凝縮器１９内で三酸化硫黄が凝縮されることにより生じたものであり、容器２０に集められる。
【００２３】
タービン１５を通ることによるエンタルピ落差により、Ｈ２ＳＯ４凝縮器１９内での凝縮は、ＳＯ２酸化触媒内での酸化より明らかに低い温度で行われる。そのためＳＯ２酸化触媒１８内での酸化もＨ２ＳＯ４触媒１９内での凝縮も最適なプロセス条件で行われる。
【００２４】
ここで、ＳＯ２酸化触媒１８の領域において活性元素としてバナジウムＶ及び／又はカリウムＫ及び／又はナトリウムＮａ及び／又はセシウムＣｓ及び／又は鉄Ｆｅ及び／又はセリウムＣｅ及び場合によってはこれらの元素の酸化物を使用することができることが指摘される。
【００２５】
バナジウムの割合は５％より高く、望ましくは７％より高く、最も望ましくは９％より高い。
【００２６】
本発明の一つの好適な発展形によると、凝縮で生じた硫酸を中和して硫酸の塩を生じさせることが提案される。
【００２７】
そのために図１の実施例においては、アンモニア及び／又はアンモニア前駆体を、供給比がＮＨ３／ＮＯＸ＞１となるように排気内に供給することが可能であり、それによりＳＣＲ触媒１４の下流で排気内にアンモニアが存在し、それをＨ２ＳＯ４凝縮器１９の領域で生じる硫酸の中和に利用できる。
【００２８】
これとは異なり、硫酸の中和は、図２のようにＳＣＲ触媒１４の上流かつアンモニア生成装置１７内で生じたアンモニアが排気内に供給される位置の下流で、バイパス２１により排気部分流を分岐させ、ＳＣＲ触媒１４、ＳＯ２酸化触媒１８、及び排気ターボチャージャ１３のタービン１５をバイパスさせて排気部分流をＨ２ＳＯ４凝縮器１９の上流で排気に混合することにより行うことも可能である。このときも排気部分流内には、硫酸の中和に使用できるアンモニアが存在する。これに関連して、バイパス２１を介して案内された排気部分流の排気を、追加的なＳＣＲ触媒２２を通して案内することが可能である。
【００２９】
図３に図示された本発明の変形例でも、ＳＣＲ触媒１４の上流かつアンモニア生成装置１７内で生じたアンモニアが排気内に供給される位置の下流において、排気部分流の排気がバイパス２１により排気流から分岐され、Ｈ２ＳＯ４凝縮器１９の領域で生じる硫酸を中和するのに使用されるが、図３では図２とは異なり、排気部分流は硫酸又は硫酸循環に供給されるのであって、Ｈ２ＳＯ４凝縮器１９の上流においてタービン１５から出た排気流に混合されるのではない。図３の変形例においてはまた、排気部分流の排気もＳＣＲ触媒を通して案内するために、バイパス２１に別個のＳＣＲ触媒２２を任意に割り当てることができる。
【００３０】
図４に図示された本発明の変形例では、エンジン１１の下流においてアンモニアではなくむしろアンモニア前駆体が排気に供給され、これが排気内でアンモニアに変換される。このアンモニア前駆体は例えば、排気内でアンモニア、二酸化炭素、水蒸気に変換される尿素水溶液とすることができる。
【００３１】
図４の変形例においては、図３の変形例と同様、ＳＣＲ触媒１４の上流かつアンモニア前駆体が排気内に供給される位置の下流において、バイパス２１により排気部分流が分岐しており、図４では、アンモニア前駆体のアンモニアへの変換をスピードアップするため又は改善するためにこの排気部分流は加水分解触媒２３を通して案内される。
【００３２】
制御可能又は調整可能な絞り弁２４を用いて、バイパス２１を介して案内される排気部分流を調節することができる。制御可能又は調整可能な絞り弁２５及び２６を用いて、加水分解触媒２３を通して案内される部分流のどれだけの量を引き続きバイパス２１により、ＳＣＲ触媒１４、ＳＯ２酸化触媒１８、及び排気ターボチャージャ１３をバイパスして硫酸循環に供給するのか、又は、排気部分流のどれだけの量をＳＣＲ触媒１４の上流で主流に戻すのかを調節することができる。
【００３３】
図示された実施例すべてに共通していることは、重油で運転される過給内燃機関１０において、ＳＣＲ触媒１４の下流かつ排気ターボチャージャ１３のタービン１５の上流にＳ０２酸化触媒１８が設けられており、これを用いることにより高温及び高圧においてＳＯ２酸化をスピードアップして行えることである。
【００３４】
さらに、すべての実施例において、排気ターボチャージャ１３のタービン１５の下流にＨ２ＳＯ４凝縮器が設けられていて、三酸化硫黄を硫酸として凝縮し、硫酸の形で排出する。
【００３５】
望ましくは、生じた硫酸は中和され、つまり、ＳＣＲ触媒１４の領域において還元剤として必要なアンモニアを用いて中和される。
【００３６】
先述したように、硫酸の中和に使われるアンモニアは、Ｈ２ＳＯ４凝縮器１９の上流かつタービン１５の下流において排気に、又は、Ｈ２ＳＯ４凝縮器１９の下流で硫酸に、混合される。
【００３７】
このとき、ＳＣＲ触媒１４の下流かつＨ２ＳＯ４凝縮器１９の上流においてバイパスラインを必要とすることなく、排気内に硫酸を中和するのに十分な量のアンモニアが用意されるよう、アンモニアは供給比＞１で準備しておくことができる。
【００３８】
他方では、バイパスライン２１を用いてＳＣＲ触媒１４の上流で排気主流から、アンモニア及び／又はアンモニア前駆体を含んだ排気部分流を分岐させ、それにより硫酸の中和に用いられるアンモニアを用意することもできる。
【００３９】
特に好適な実施形態（図２から４参照）においては、バイパスライン２１によりＳＣＲ触媒１４、ＳＯ２酸化触媒１８、及びタービン１５をバイパスした排気部分流は、バイパスライン２１の領域においてＳＣＲ触媒２２及び／又は加水分解触媒２３を通して案内される。加水分解触媒２３を介して排気内でのアンモニア発生が支援され得る。バイパス２１の別個のＳＣＲ触媒２２を介して排気部分流内の窒素酸化物を還元することができる。
【００４０】
バイパスライン２１内にＳＣＲ触媒２２が設けられている場合、硫酸Ｈ２ＳＯ４を硫酸アンモニウム（ＮＨ４）２ＳＯ４に中和するためにＳＣＲ触媒２２の下流で十分なアンモニアＮＨ３が用意されるよう、排気部分流についても、排気部分流内の供給比が＞１であることがあてはまる。
【符号の説明】
【００４１】
１０    内燃機関
１１    エンジン
１２    気筒
１３    排気ターボチャージャ
１４    ＳＣＲ触媒
１５    タービン
１６    コンプレッサ
１７    アンモニア生成装置
１８    ＳＯ２酸化触媒
１９    Ｈ２ＳＯ４凝縮器
２０    容器
２１    バイパス
２２    ＳＣＲ触媒
２３    加水分解触媒
２４    絞り弁
２５    絞り弁
２６    絞り弁
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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