(57)【要約】【課題】高い給気圧力を達成でき、それにも係らず発動機内部でのＮＯX還元のためにミラー法を効果的に適用し得る発動機装置を提供する。【解決手段】排気ターボ過給機を少なくとも高圧段（６、７）と低圧段（８、９）を有する多段過給機群（６、７、８、９）として構成すると共に、少なくとも高圧タービン（６）と低圧タービン（８）をこの順番で排気管に、低圧圧縮機（９）と高圧圧縮機（７）をこの順番で給気管に夫々直列に接続し、ＳＣＲ触媒（５）を排気管の、高圧段のタービン（６）と低圧段のタービン（８）との間に配置する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
自己点火式又は電気点火式の往復ピストン式内燃機関、排気ターボ過給機および排気通路内に配置された少なくとも１つのＳＣＲ触媒を備えた発動機装置において、
前記排気ターボ過給機が少なくとも高圧段（６、７）および低圧段（８、９）を有する多段過給機群（６、７、８、９）として構成されると共に、少なくとも高圧タービン（６）および低圧タービン（８）がこの順番で排気管に、低圧圧縮機（９）および高圧圧縮機（７）がこの順番で給気管にそれぞれ直列に接続され、前記ＳＣＲ触媒（５）が前記排気管の、前記高圧段のタービン（６）と前記低圧段のタービン（８）との間に配置されたことを特徴とする発動機装置。
【請求項２】
前記高圧圧縮機（７）と往復ピストン式内燃機関（１）との間に給気冷却器（４）が配置されたことを特徴とする請求項１記載の発動機装置。
【請求項３】
前記排気管の、前記低圧圧縮機（９）と高圧圧縮機（７）と間に中間冷却器（１０）が設けられたことを特徴とする請求項１又は２記載の発動機装置。
【請求項４】
前記ＳＣＲ触媒をバイパスするバイパス管（１１）が設けられ、このバイパス管（１１）、並びに前記排気管の、前記バイパス管の分岐点と前記触媒（５）との間に、それぞれ止め弁（１２、１３）が配置されたことを特徴とする請求項１記載の発動機装置。
【請求項５】
前記バイパス管（１１）内の止め弁（１２）および前記排気管内の止め弁（１３）が共通の調整のために互いに連動することを特徴とする請求項４記載の発動機装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自己点火式又は電気点火式の往復ピストン式内燃機関、排気ターボ過給機および排気路内に配置された少なくとも１つのＳＣＲ触媒を備えた発動機装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
この種の発動機装置は特に大型で中速回転のディーゼル機関およびガス機関であり、例えば船舶や地上に配置された発電所等で普通に用いられている。
【０００３】
ＮＯXの排出を抑制し、低い規制値を遵守すべく、従来技術において既に発動機の排気系統内にＳＣＲ触媒を配設している。
【０００４】
過剰空気で駆動される発動機装置の排気中のＮＯX含有量を低減すべく、所謂選択触媒還元法（ＳＣＲ法）が公知である。この方法では、触媒の手前の位置で排気中に還元剤を噴射し、排気に含まれるＮＯXを、所謂ＳＣＲ触媒でＮ2とＯ2に還元する。還元剤としてアンモニアが使用できるが、通常は操作性の理由から尿素水溶液が用いられる。
【０００５】
例えば特許文献１により、ＳＣＲシステムにおいて、発動機装置の制御装置により還元剤供給適正量を連続的に計算することが公知である。そのために制御装置は、発動機装置の所定の動作パラメータから計算される瞬時瞬時の還元剤需要量を必要とする。
【０００６】
ＳＣＲ法は、所定の温度範囲でのみ良好な還元効果を発揮する。付加的な制限として、硫黄分を含む燃料、特に重油（ＨＦＯ）で発動機を運転する際、触媒被覆および燃料の硫黄含有量に依存する温度値を下回ると、触媒の汚染が生ずることに留意せねばならない。
【０００７】
今日、実際上殆ど全ての、１段式過給機を用いて実現される中速回転４サイクルエンジンの場合、排気系統内の触媒は排気ターボ過給機のタービンの後方に配置される。発動機の適切な設計で、大抵の場合、問題のない運転に必要な最低温度を遵守できる。タービンの前方に配置すると、排気温度が高過ぎて、温度範囲の上限を超えてしまう。
【０００８】
大容量を達成し、かつ発動機内部でのＮＯX還元のためのミラー法の使用を可能とすべく、将来的には、必要な給気圧力が上昇するであろう。それはタービン圧力比を高めることにもなる。タービン前方の温度は今日普通であるより高くはないであろうから、タービンの汚染を防止すべく、タービン後方の温度は今日普通であるより低くなろう。このため触媒の問題のない動作に必要な最低温度を下回る可能性がある。
【０００９】
図１は、従来技術による発動機装置の一構成例を示す。発動機１は排気ターボ過給機のタービン２に排気を供給し、タービン２は圧縮機３を駆動する。圧縮機３は空気を吸込んで圧縮し、給気冷却器４を介して発動機に供給する。タービン２から流出する排気は触媒５の作用を受ける。
【００１０】
同様に、一段過給機付低速二サイクルエンジンは明らかに低い排気温度を持つ。この際排気系統で排気ターボ過給機を正しい温度範囲で動作させるべく、触媒を排気ターボ過給機のタービンの手前に配置せねばならない。図２はこの配置を示す。発動機１から排出される排気をまず触媒５に導入し、その後初めてタービン２に導く。タービン２は圧縮機３を駆動する。圧縮機３は空気を吸込み、圧縮し、給気冷却器４を経て発動機に供給する。
【００１１】
この配置は非定常運転時、制御上の問題を引き起こす傾向がある。と言うのは、触媒が蓄熱器として働き、発動機から到来する排気エネルギーを時間遅れをもってタービンに供給するからである。この不都合は、負荷変動時に触媒をバイパス管１１でバイパスすることで回避できる。止め弁１２と１３を適宜操作することで、触媒を経て排気を導く（固定運転時）か、それをバイパスして導く（負荷変動時）ようにできる。
【００１２】
発動機の過給のための排気ターボ過給機は、局限された動作領域でのみ高効率を達成する。過給機付発動機を、広い出力範囲で高効率にて動作させるべく、多段排気ターボ過給機を動作状態に応じて一緒に開閉することは公知である。
【００１３】
将来、高い過給圧力を達成すべく二段過給方式が使用されよう。該方式では、２台の圧縮機と通常は２台のタービンを夫々直列に接続する。通常は、一般的な２台の一段式ターボ過給機を用い、もって高圧圧縮機と高圧タービン並びに低圧圧縮機と低圧タービンを各々１本の軸上に配置する。しかし、他の配置方式も考えられ、既に実現してもいる。
【特許文献１】独国特許出願公開第１９９４４００９号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
本発明の課題は、従来装置より高い給気圧力を達成でき、更に発動機内部でのＮＯX還元のためのミラー法を効率的に適用できる発動機装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
この課題は本発明に従い、排気ターボ過給機を少なくとも高圧段と低圧段を有する多段過給機群として構成すると共に、少なくとも高圧タービンと低圧タービンをこの順番で排気管に、低圧圧縮機と高圧圧縮機をこの順番で給気管に夫々直列に接続し、ＳＣＲ触媒を排気管の、高圧段のタービンと低圧段のタービンとの間に配置することで解決できる。
【００１６】
本発明の好適な実施態様では、高圧圧縮機と往復ピストン式内燃機関の間に給気冷却器を配置し、更に排気管の、低圧圧縮機と高圧圧縮機との間に中間冷却器を設ける。
【００１７】
ＳＣＲ触媒をバイパスするバイパス管を設け、該バイパス管並びに排気管の、バイパス管の分岐点と触媒との間に、夫々止め弁を配置するとよい。それは負荷変動時、触媒が低速２サイクルエンジンで公知の問題と同様に、排気エネルギーを低圧タービンに時間遅れをもって供給するからである。そのため触媒を、２サイクルエンジンで公知の装置と同様に、バイパス管によりバイパスする。止め弁を適切に操作することで、排気を触媒を経て（定常運転時）導くか、これをバイパスして（負荷変動時）導く。
【００１８】
更に、バイパス管内の止め弁と排気管内の止め弁を共通の調整のために互いに連動させることで、各適用状況と動作状態に対し、発動機装置の動的挙動と排気のＮＯX還元との間の最適化を可能にする、数多くの手段を単独又は組合せて使用できる。
（発明を実施するための最良の形態）
【実施例１】
【００１９】
図３は、排気側に二段過給機群を配置した往復ピストン式内燃機関１を示す。内燃機関１から排気管の第１部分２０がタービン６に延びている。タービン６は軸を経て圧縮機７を駆動する。タービン６と圧縮機７は過給機群の高圧段を形成する。排気管の第２部分２１が、タービン６からＳＣＲ触媒５に延びている。続いて、ＳＣＲ触媒５を通過した排気を、排気管の第３部分２２を経てタービン８に導く。タービン８に軸を経て圧縮機９が連結している。タービン８と圧縮機９は過給機群の低圧段を形成する。
【００２０】
発動機１はその排気を高圧タービン６に供給する。該タービン６からの排気はＳＣＲ触媒５を経て低圧タービン８に流れる。タービン８は低圧圧縮機９を駆動する。圧縮機９は空気を吸込んで圧縮し、中間冷却器１０を経て高圧圧縮機７に供給する。圧縮機７は高圧タービン６で駆動され、空気を更に圧縮し、給気冷却器４を経て発動機１に供給する。
【００２１】
圧力差を両タービンに分配するのと同様に、温度差の分配も起る。高圧タービン６と低圧タービン８との間の温度は、触媒にとって過大な高圧タービンの上流側の温度と、触媒にとって過小な低圧タービンの下流側の温度との中間にある。本発明による実施例においては、その温度は触媒の問題のない動作に必要な温度範囲内にある。
【００２２】
触媒のサイズは通流する排気の体積流量によって定まる。高圧タービンと低圧タービンとの間の排気はなお完全に圧力が無くなっている訳ではないので、体積流量は低圧タービンの下流側より少ない。そのため触媒のサイズをより小さくなし得る。
【００２３】
往復ピストン式内燃機関１の負荷変動時、両タービン６、８間に配置したＳＣＲ触媒５が蓄熱器として作用するという問題が生じる。そのため、タービン８に対する排気エネルギー供給が負荷変動に時間的に遅れるという事態を生ずる。これを回避すべく、ＳＣＲ触媒５をバイパス管１１でバイパス可能に構成する。バイパス管１１は、排気管の第２部分２１から分岐して第３部分２２に連通している。バイパス管１１は、好ましくは種々の通流量に調整可能な止め弁１２を備える。排気管の第２部分２１の、バイパス管１１と排気触媒５との間に第２の止め弁１３を設けている。第１の止め弁１２が流量調整可能なら、第２の止め弁１３も同様に構成する。両止め弁１２と１３は、図示しないが、止め弁１２の開放が同時に止め弁１３を閉鎖するよう、適当な方式で連動可能に構成するとよい。両止め弁１２、１３の連動動作により、排気は、定常運転時は触媒５を通流し、負荷変動時は触媒５をバイパスして流れる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】従来技術による発動機装置の第１例を示す系統図である。
【図２】従来技術による発動機装置の第２例を示す系統図である。
【図３】ＳＣＲ触媒および多段過給機を有する本発明による発動機装置を示す系統図である。（実施例１）
【符号の説明】
【００２５】
１  往復ピストン式内燃機関、２  タービン、３  圧縮機、４  給気冷却器、５  触媒、  ６  高圧タービン、７  高圧圧縮機、８  低圧タービン、９  低圧圧縮機、１０  中間冷却器、１１  バイパス管、１２、１３  止め弁、２０〜２２  排気管の第１〜第３部分
【図１】
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【図２】
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【図３】
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