(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
クロスヘッド（５３）を有するターボ過給式大型２ストロークユニフローディーゼルエンジンであって：
直列に並んだ複数のシリンダ（１）と；
排気ガスにより駆動されるタービン（６）と前記タービン（６）により駆動されるコンプレッサー（９）を有し、前記シリンダ（１）に給気を供給するターボ過給機（５）と；
前記前記複数のシリンダ（１）の各々と各自の排気ダクト（３５）を介して連結しており、前記複数のシリンダ（１）の列に沿って延在する長尺の円筒状排気ガス受け（３）であって、前記排気ダクト（３５）が、前記円筒状排気ガス受け（３）の中の排気ガスに渦流を生じさせるために、前記シリンダ（１）からの排気ガスを前記円筒状排気ガス受け（３）の中へと接線方向に方向付ける、円筒状排気ガス受け（３）と；
中央部の軸方向ダクト（４７）の周囲に複数のベーン（４３）を備えるユニット（４２）と；
を有し；
前記ユニット（４２）は、前記排気ガス受け（３）の中で前記排気ガスダクト（３５）の下流側に設置され；
前記ユニット（４２）は、該ユニット（４２）の長手方向側で前記排気ガスダクト（３５）が存在する混合区間（４８）と、該ユニット（４２）の長手方向の他方の側の出口区間（４９）とに長手方向に分割し；
前記出口区間（４９）は、前記排気ガス受けの外部に存在する選択触媒還元リアクター（１９）の入口に接続される出口（３３）を含み；
前記選択触媒還元リアクターの出口は、前記ターボ過給機（５）の前記タービン（６）の入口に接続され；
前記ユニット（４２）は、前記混合区間（４８）から前記出口区間（４９）までの間に、前記ベーン（４３）に沿って排気ガスの渦流が流れるように配され；
前記ユニット（４２）はさらに、前記混合領域から前記出口領域へと前記ベーン（４３）に沿って通過する前記排気ガスに、その渦流を消失させて、圧力を獲得させるように構成され、前記獲得された圧力は、前記ベーン（４３）に沿って通過した前記排気ガスの一部を、前記軸方向ダクト（４７）を介して前記出口領域から前記混合領域（４８）へと逆流させ、それによって、前記ベーン（４３）に沿って通過した前記排気ガスの他の部分が、前記出口（３３）を介して前記出口領域から前記外部選択触媒還元リアクター（１９）へと流れるように構成され；
前記エンジンは更に、還元剤導入ポイントで前記排気ガスに添加される還元剤の供給源（２６）を備え、ただし前記出口区間（４９）から前記混合区間（４８）まで逆流する前記排気ガスの前記一部と還元剤とが混合することが可能となるように、前記還元剤導入ポイントは前記軸方向ダクト（４７）の中に設けられる；
エンジン。
【請求項２】
前記軸方向ダクト（４７）を通って逆流し、還元剤が添加された前記排気ガスは、前記混合区間（４８）の中で前記渦流混合ガスと混合することが可能になる、請求項１に記載のエンジン。
【請求項３】
前記軸方向ダクト（４７）は、前記混合区間の中で軸方向に延在する、請求項１に記載のエンジン。
【請求項４】
前記軸方向ダクトは、前記混合区間（４８）の中へ延在する同心管（４０）の一部であり、前記排気ガスは、前記同心管（４０）の周囲で渦流を成す、請求項３に記載のエンジン。
【請求項５】
前記同心管（４０）の中の排気ガスの流れは渦流ではない、請求項３に記載のエンジン。
【請求項６】
前記ベーン（４３）は、前記軸方向ダクト（４７）から前記排気ガス受け（３）の内壁まで径方向に延在する、請求項１に記載のエンジン。
【請求項７】
前記ベーンは、曲がっている上流区間と、曲がっていない下流区間とを有する、請求項６に記載のエンジン。
【請求項８】
前記ベーン（４３）は、前記ベーン（４３）を通り越して流れる前記渦流排気ガスにその渦流を消失させて、圧力を獲得させるように構成される、請求項１に記載のエンジン。
【請求項９】
前記排気ガス受け（３）は、前記ターボ過給機（５）のタービン（６）に接続するバイパス導管（３８）に前記混合区間（４８）を接続するバイパス出口（３６）を備える、請求項１に記載のエンジン。
【請求項１０】
クロスヘッド（５３）を有するターボ過給式大型２ストロークユニフローディーゼルエンジンのための排気ガス受け（３）であって：
長尺の円筒状排気ガス受けハウジング（３）であって、前記エンジンの前記シリンダ（１）から排気ガスを接線方向に受け入れ、それによって前記排気ガス受け（３）の内側で前記排気ガスに渦流を生じさせるための複数の開口部が、個々に前記排気ガス受け（３）の長さの長手方向の一部に沿って配されている、排気ガス受けハウジング（３）と；
中央部の軸方向ダクト（４７）の周囲に複数のベーン（４３）を備えるユニット（４２）と；
を有し；
前記ユニット（４２）は、前記排気ガス受け（３）の中で前記開口部の下流側に設置され；
前記ユニット（４２）は、該ユニット（４２）の長手方向側で前記開口部が存在する混合区間（４８）と、該ユニット（４２）の長手方向の他方の側の出口区間（４９）とに長手方向に分割し；
前記出口区間（４９）は、前記排気ガス受け（３）の外部への出口（３３）を含み；
前記ユニット（４２）は、前記混合区間（４８）から前記出口区間（４９）までの間に、前記ベーン（４３）に沿って排気ガスの渦流が流れるように配され；
前記ユニット（４２）はさらに、前記混合領域から前記出口領域へと前記ベーン（４３）に沿って通過する前記排気ガスに、その渦流を消失させて、圧力を獲得させるように構成され、前記獲得された圧力は、前記ベーン（４３）に沿って通過した前記排気ガスの一部を、前記軸方向ダクト（４７）を介して前記出口領域から前記混合領域（４８）へと逆流させ、それによって、前記ベーン（４３）に沿って通過した前記排気ガスの他の部分が、前記出口（３３）を介して前記出口領域から出て行くように構成され；
前記エンジンは更に、前記出口区間（４９）から前記混合区間（４８）まで逆流する前記排気ガスと還元剤とが混合することが可能となるように、前記軸方向ダクト（４７）の中に設けられる前記還元剤導入ポイントを備える；
エンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はクロスヘッド型ターボ過給式大型２ストローク内燃ピストン機関に関し、これは好適には排気ガス浄化システムを有するディーゼルエンジンであり、特に、排気ガスのＮＯｘを浄化するＳＣＲ（選択的触媒還元）リアクターを有するクロスヘッド式大型２ストロークディーゼルエンジンに関する。
【背景技術】
【０００２】
クロスヘッド式大型２ストロークエンジンは、典型的に、大型船舶の推進システムや、電力プラントの主要機関として使用される。排出に関する規制、特に窒素酸化物（ＮＯｘ）レベルに関する規制はこれまでも厳しく、これからもますます厳しくなることが予想されている。
【０００３】
環境問題に対する公衆の関心は急速に高まっている。国際海事機関（ＩＭＯ）においても、海洋における大気汚染に関する排出規制の議論が行われている。世界中の様々な場所において、当局が同様のことを行っている。例えば、米国の環境保護庁（ＥＰＡ）が、現在議論されていることを制度化しようと提案している。
【０００４】
排気ガス中のＮＯｘは、一次的低減装置及び／又は二次的低減装置によって減少させることができる。一次的な手法として、エンジンの燃焼過程に直接影響を及ぼす手法がある。実際にどれくらい減少させることができるかは、エンジンのタイプや低減手法に依存するが、およそ１０％から８０％以上にもわたって様々に異なる。二次的な手法とは、最適化された燃料セッティングによるエンジンの性能の変化を伴うことなしに排出レベルを減少させる手段であり、エンジン自体の一部をなす装置ではない装置を用いた手法である。これまでに最も成功した二次的手法は、ＮＯｘを減少させる手法である、ＳＣＲ（選択的触媒還元）法である。この手法は、排気ガスを触媒コンバーターに入れる前に、アンモニアや尿素を排気ガスに加える手法であり、ＮＯｘレベルを９５％以上減少させることができる。
【０００５】
ＳＣＲリアクターは複数の層の触媒を備える。触媒の体積、すなわち結果的にはリアクターのサイズは、触媒の活性や要求されるＮＯｘ減少度に応じて異なる。触媒は通常、一体構造（monolithic structure）を有するが、それは、壁面に触媒活性を有する非常に多くの並列チャネルを有する触媒の区画から構成されることを意味する。
【０００６】
排気ガスは、硫黄含有量に応じて、少なくとも２８０−３５０℃の温度を有していなければならない。すなわち、ＮＯｘを効率的に窒素と水に変換するには、ＳＣＲリアクターの入り口における排気ガスの温度は、硫黄含有量が高い場合は温度が高くなければならず、硫黄含有量が低い場合は温度はそれより低くてもよい。
【０００７】
ターボ過給機のタービンの高圧側における排気ガスの温度は、およそ３５０−４５０℃である。おお、ターボ過給機のタービン低圧側における排気ガスの温度は、通常、およそ２５０−３００℃である。
【０００８】
このため、ターボ過給機のタービンの高圧側にＳＣＲリアクターを設置することは好ましいことである。しかし、ＳＣＲリアクターは非常に多くのパイプや容器を内部に有するが、これをタービンの高圧側に設置するとなると、これらのパイプや容器はおよそ４気圧の圧力に耐えることができなければならず、また２０℃から４００℃までもの温度変化にさらされることになる。このため、タービンの高圧側にＳＣＲリアクターを設置するという構成には、多くの複雑な問題がある。温度による膨張や収縮は、設計上大きな問題を引き起こす。
【０００９】
通常、還元剤は、排気ガスシステムの中のＳＣＲリアクターの上流で噴射および霧化される。本発明は、アンモニアを排気ガスに混合して、均一な混合を得る一方で、（圧力降下に関して）コストを最小化するという課題に対処する。通常、還元剤はアンモニアであり、噴射した尿素が蒸発して分解したときに得られる。この過程には時間が必要であり、また、堆積物の発生を避けるために、蒸発中は排気ガスシステムの壁との接触を避けねばならない。液体還元剤と排気ガスシステムの壁との接触は、排気ガスシステムの内壁に不要な堆積物を生じさせうるので、アンモニアまたは尿素等の還元剤を正しく添加することは非常に重要である。
【００１０】
このような背景のため、ＳＣＲシステムには、洗練された、しかし高価な散布システムを採用することが提案されてきている。この散布システムは、アンモニアや尿素を排気ガスの流れに一様に散布することができる。また既存のＳＣＲシステムは、下流側において十分な混合がなされるようにするために、混合ユニット（ｍｉｘｉｎｇ  ｕｎｉｔ）と呼ばれる専用のユニットを用いている。これは通常、かなり大きなものである。この混合ユニットは、排気系の全体的なヘッドロス（圧力損失）をもたらすが、これはターボ過給機の効率を減少させることに等しい。このようなターボ過給機の効率の損失は、燃料効率の観点からは受け入れがたいことである。さらに、圧力損失は、（廃熱利用のために）バイパスされた排気ガス流により駆動されるパワータービンの利用可能性についても制限する。
【発明の開示】
【００１１】
かかる背景の下、本発明の目的は、ＳＣＲリアクターを有するエンジンであって、上述の問題を克服するか少なくとも減少させるエンジンを提供することを目的とする。
【００１２】
この目的は、次のような、クロスヘッドを有するターボ過給式大型２ストロークユニフローディーゼルエンジンを提供することにより達成される。このエンジンは、直列に並んだ複数のシリンダと；排気ガスにより駆動されるタービンと前記タービンにより駆動されるコンプレッサーを有し、前記シリンダに給気を供給するターボ過給機と；前記前記複数のシリンダの各々と各自の排気ダクトを介して連結しており、前記複数のシリンダの列に沿って延在する長尺の円筒状排気ガス受けであって、前記排気ダクトが、前記円筒状排気ガス受けの中の排気ガスに渦流を生じさせるために、前記シリンダからの排気ガスを前記円筒状排気ガス受けの中へと接線方向に方向付ける、円筒状排気ガス受けと；中央部の軸方向ダクトの周囲に複数のベーンを備えるユニットと；を有し；前記ユニットは、前記排気ガス受けの中で前記排気ガスダクトの下流側に設置され；前記ユニットは、該ユニットの長手方向側で前記排気ガスダクトが存在する混合区間と、該ユニットの長手方向の他方の側の出口区間とに長手方向に分割し；前記出口区間は、前記排気ガス受けの外部に存在する選択触媒還元リアクターの入口に接続される出口を含み；前記選択触媒還元リアクターの出口は、前記ターボ過給機の前記タービンの入口に接続され；前記ユニットは、前記混合区間から前記出口区間までの間に、前記ベーンに沿って排気ガスの渦流が流れるように配され；前記ユニットはさらに、前記混合領域から前記出口領域へと前記ベーンに沿って通過する前記排気ガスに、その渦流を消失させて、圧力を獲得させるように構成され、前記獲得された圧力は、前記ベーンに沿って通過した前記排気ガスの一部を、前記軸方向ダクトを介して前記出口領域から前記混合領域へと逆流させ、それによって、前記ベーンに沿って通過した前記排気ガスの他の部分が、前記出口を介して前記出口領域から前記外部選択触媒還元リアクターへと流れるように構成され；前記エンジンは更に、還元剤導入ポイントで前記排気ガスに添加される還元剤の供給源を備え、ただし前記出口区間から前記混合区間まで逆流する前記排気ガスの前記一部と還元剤とが混合することが可能となるように、前記還元剤導入ポイントは前記軸方向ダクトの中に設けられる。
【００１３】
排気ガス受けの中の渦流から隔離された中央ダクトの中に還元剤を噴射することによって、還元剤は、排気ガス受けの壁と接触できるようになる前に蒸発する。
【００１４】
ある実施形態によれば、前記軸方向ダクトを通って逆流し、還元剤が添加された前記排気ガスは、前記混合区間の中で前記渦流混合ガスと混合することが可能になる。
【００１５】
別の実施形態によれば、前記軸方向ダクトは前記混合区間へと軸方向に延伸する。
【００１６】
別の実施形態によれば、前記軸方向ダクトは、前記混合区間の中へ延在する同心管の一部であり、前記排気ガスは、前記同心管の周囲で渦流を成す。
【００１７】
好ましくは、前記管は、管を出るまでに還元剤が蒸発するために十分な長さを有する。
【００１８】
別の実施形態によれば、前記同心管の中の排気ガスの流れは渦流ではない。
【００１９】
別の実施形態によれば、前記ベーンは、前記排気ガス受けの内壁へ向かって前記ダクトから径方向に延びている。
【００２０】
別の実施形態によれば、前記ベーンは、上流における曲がった区間と、下流における曲がっていない区間とを有する。
【００２１】
別の実施形態によれば、前記ブレードは、前記ブレードを通り越して流れる前記渦流排気ガスにその渦流を消失させて、圧力を獲得させるように構成される。
【００２２】
別の実施形態によれば、前記エンジンは、直列に並んだ２つまたはそれ以上の排気ガス受けを備える。
【００２３】
前記排気ガス受けは、前記ターボ過給機のタービンに接続するバイパス導管に前記混合区間を接続するバイパス出口を備える。
【００２４】
この目的は、クロスヘッドを有するターボ過給式大型２ストロークユニフローディーゼルエンジンのための次のような排気ガス受けを提供することによっても達成される。この排気ガス受けは：長尺の円筒状排気ガス受けハウジングであって、前記エンジンの前記シリンダから排気ガスを接線方向に受け入れ、それによって前記排気ガス受けの内側で前記排気ガスに渦流を生じさせるための複数の開口部が、個々に前記排気ガス受けの長さの長手方向の一部に沿って配されている、排気ガス受けハウジングと；中央部の軸方向ダクトの周囲に複数のベーンを備えるユニットと；を有し；前記ユニットは、前記排気ガス受けの中で前記排気開口部の下流側に設置され；前記ユニットは、該ユニットの長手方向側で前記排気ガスダクトが存在する混合区間と、該ユニットの長手方向の他方の側の出口区間とに長手方向に分割し；前記出口区間は、前記排気ガス受けの外部への出口を含み；前記ユニットは、前記混合区間から前記出口区間までの間に、前記ベーンに沿って排気ガスの渦流が流れるように配され；前記ユニットはさらに、前記混合領域から前記出口領域へと前記ベーンに沿って通過する前記排気ガスに、その渦流を消失させて、圧力を獲得させるように構成され、前記獲得された圧力は、前記ベーンに沿って通過した前記排気ガスの一部を、前記軸方向ダクトを介して前記出口領域から前記混合領域へと逆流させ、それによって、前記ベーンに沿って通過した前記排気ガスの他の部分が、前記出口を介して前記出口領域から出て行くように構成され；前記エンジンは更に、前記出口区間から前記混合区間まで逆流する前記排気ガスと還元剤とが混合することが可能となるように、前記軸方向ダクトの中に設けられる前記還元剤導入ポイントを備える。
【００２５】
排気ガス受けの中の乱流から隔離された中央ダクトの中に還元剤を噴射することによって、還元剤は、排気ガス受けの壁と接触できるようになる前に蒸発する。
【００２６】
本発明の別の目的は、排気ガス受けを通る排気ガスの流れのエネルギー損失を抑えることのできる排気ガス受けを提供することである。
【００２７】
この目的は、クロスヘッドを有する次のようなターボ過給式大型２ストロークユニフローディーゼルエンジンを提供することによって達成される。このエンジンは、直列に並んだ複数のシリンダと；排気ガスにより駆動されるタービンと前記タービンにより駆動されるコンプレッサーを有し、前記シリンダに給気を供給するターボ過給機と；前記前記複数のシリンダの各々と各自の排気ダクトを介して接続しており、前記複数のシリンダの列に沿って延在する長尺の円筒状排気ガス受けであって、前記円筒状排気ガス受けの内部は、前記排気ガス受けの内側の流れに対していかなる障害物もないように構成され、前記排気ダクトの各々は、前記排気ガス受けの中の排気ガスに渦流を生じさせるために、前記シリンダからの前記排気ガスを前記円筒状排気ガス受けの中へ接線方向に方向付けるように構成される、円筒状排気ガス受けと；前記ターボ過給機の前記タービンに繋がる導管に接続される、接線方向に向けられた出口と；を備える。
【００２８】
排気ガスが出口に向かって渦流運動を行うことを可能にする、接線方向の入口を排気ガス受けに設けることによって、また出口を接線方向に配置することによって、排気ガス流は、最小のエネルギー損失で排気ガス受けを通過することができる。
【００２９】
ある実施形態では、前記接線方向に方向付けられた出口は、前記渦流排気ガスが、流動方向の最小変化を伴って前記排気ガス受けから出ることを可能にするように配され構成される。
【００３０】
本願の開示に従うエンジンや排気ガス受けに関するさらなる課題や特徴、利点、性質は、後の詳細説明により明らかになる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】例示的実施形態に従う大型２ストロークディーゼルエンジンの正面図である。
【図２】図１の大型２ストロークエンジンの側面図である。
【図３】図１の大型２ストロークエンジンのダイアグラム表現である。
【図４】図１の大型２ストロークエンジンの排気ガス受けの断面図である。
【図５】図４の線Ｖ‐Ｖ'に沿った断面図である。
【図６】図４の排気ガス受けの立面図および透視図である。
【図７】別の例示的な実施形態に従う排気ガス受けの断面図である。
【図８】大型２ストロークエンジンの排気ガス受けの別の実施形態の断面図である。
【図９】図８の線ＩＸ‐ＩＸ'に沿った断面図である。
【図１０】大型２ストロークエンジンの排気ガス受けの別の実施形態の断面図である。
【図１１】図１０の線ＸＩ‐ＸＩ'に沿った断面図である。
【好適な実施形態の詳細な説明】
【００３２】
本明細書における以下の詳細説明部分において、本発明を、添付図面に描かれた例示的実施形態を参照してより詳細に説明する。
【００３３】
以下の詳細説明において、例示的実施形態を用いて大型２ストロークエンジンを説明する。図１−３は、ターボ過給式大型低速２ストロークディーゼルエンジンを示す。このエンジンは、クランクシャフト５２及びクロスヘッド４３を備える。図３は、ターボ過給式大型低速２ストロークディーゼルエンジンのダイアグラム表現であり、吸気系及び排気系が描かれている。この例示的実施形態において、エンジンは、直列に６本のシリンダ１を備える。ターボ過給式大型２ストロークディーゼルエンジンは、典型的に、直列に配された５本から１６本のシリンダを有する。これらはエンジンフレーム４５に支えられる。このようなエンジンは、例えば、外洋船舶のメインエンジンとして用いられる。また、発電所において発電機を回すための固定式エンジンとして用いられる。このようなエンジンの全出力は、例えば、５，０００ｋＷから１１０，０００ｋＷにまで及ぶ。
【００３４】
このようなタイプのエンジンは、２ストロークユニフロー型であり、シリンダ１の下部領域に掃気ポートを有し、また、シリンダ１の上部には排気バルブ４を備える。給気は、給気受け２から、各シリンダ１の掃気ポート（図示されていない）へと導かれる。シリンダ１のピストン５１が給気を圧縮すると、燃料が噴射されて燃焼が生じ、排気ガスが生成される。排気弁４が開くと排気ガスは、シリンダ１に対応する排気ダクト３５を通って排気受け３流れ込み、さらに、ＳＣＲリアクターを含む第一の排気管１８を通ってターボ過給機５のタービン６へと進み、さらにそこから排気ガスは、第二の排気管７を通って流れ出る。タービン６は、シャフト８を介して、吸気口１０を介して設けられるコンプレッサー９を回す。コンプレッサー９は、圧縮された給気を、給気受け２へと続く給気管１１へ供給する。
【００３５】
管１１の給気は、冷却のためにインタークーラー１２に通される。これにより、コンプレッサーを出たときに２００℃程度あった給気温度が、３６−８０℃まで下げられる。
【００３６】
冷却された吸気は、電気モーターにより駆動される補助ブロワ１６に導かれる。補助ブロワ１６は、低負荷条件または部分負荷条件において、給気受け２へ導かれる吸気を圧縮する。ターボ過給機が高負荷になっている場合は、コンプレッサー９は十分な掃気を供給することができるので、補助ブロワ１６は、逆止め弁１５によってバイパスされる。
【００３７】
図３は、ＳＣＲシステムのレイアウトを示す。このシステムはＳＣＲ（選択的触媒還元）リアクター１９を備える。アンモニアや尿素などの還元剤は、ＳＣＲリアクター１９に入る前に排気ガスに加えられる。排気ガスは、ＳＣＲリアクター１９を通過する前に、アンモニアなどの還元剤と混合されなければならない。ＳＣＲリアクター１９内で化学反応を促進するために、温度レベルは、排気ガス中の硫黄含有量に応じて、２００℃から４００℃の間になければならない。本実施形態において、アンモニアのソースは、水ベースの尿素の溶液である。
【００３８】
図３に描かれる実施形態において、タンク２６には尿素の水溶液が貯蔵されている。管２５がタンク２６をポンプ２４の入口へと繋いでいる。ポンプ２４は実質的に一定の圧力を提供するように構成されている。ポンプ２４の出口は供給管２２に接続されており、供給管２２は、加圧された要素水溶液を、電子制御弁２３を介して噴射弁２１へと運ぶ（図４参照）。本実施形態における電子制御弁２３は、オン／オフ型のものであるが、比例弁を用いることもできる。電子制御弁２３は、電子制御ユニット（処理コンピュータ）５０からの信号によって制御される。電子制御弁は油圧弁や空気圧弁であってもよく、また、純粋に電気的に動作する弁であってもよい。噴射弁２１は排気受け３の内部に設置される。噴射弁２１には、ノズル孔を備えるノズルが設けられる。このノズル孔によって、排気ガス受け３に噴射される尿素水溶液が霧状にされる。噴射弁２１は、圧力が閾値を超えたときのみ噴射を行うように構成される。これは、尿素水溶液を霧状にするために十分な圧力があるときのみ、噴射が行われるようにするためである。第二の排気管７にはＮＯｘ及び酸素解析機が接続されており、解析の結果が電子制御ユニット５０へと伝えられる。ＳＣＲリアクター１９の上流又は下流で、且つターボチャージャー６よりも上流において、センサ３２が、管１８中の排気ガスのＮＯｘ含有量を測定してもよい。
【００３９】
排気ガスに噴射される還元剤の量は、電子制御ユニット５０によって制御され、それは、実際の動作条件（負荷条件）におけるＮＯｘ生成量に基づいて行われる。動作条件（負荷条件）に対するＮＯｘ生成量の関係は、エンジンのテスト運転の際に測定された、様々な動作条件（負荷条件）におけるＮＯｘ生成量の測定から導き出される。排気ガスに噴射される還元剤の量は、また、ＮＯｘ及び酸素解析機からの信号に基づいて制御され、または、実験的に求められたテーブルやセンサ３２からの信号、さらにこれら全てにも基づく場合もある。還元剤を噴射するタイミングは、エンジンのクランクシャフト５２の実際の位置を考慮することなく行われる。これは、その必要がないからである。排気ダクト３５からは還元剤と混合されるべき排気ガスが常に流れ出しており、還元剤の噴射ポイントから出口３３までの経路には、排気ガスが常に存在している。
【００４０】
図４，５，６を参照し、円筒状に長い排気ガス受け３および還元剤噴射システムの構成を例示的実施形態を使ってより詳細に説明する。排気ガス受け３はかなり長い円筒状をしており、大きな断面積を有する。例えば排気ガス受けは、全長が１０ｍにも達することがある一方、直径は１−２ｍであることがある。
【００４１】
排気ガス受け３は、シリンダ１の列に沿って設けられており、排気弁４や排気ダクト３５が設けられているシリンダ１の上部に比較的近接して設けられている。各排気ダクト３５は排気ガス受け３に開口している。多くのエンジンにおいて、排気弁３は、エンジンの直列に並んだ全てのシリンダ１を跨ぐように延設されている。しかし、排気ガス受け３を長さ方向に二つまたはそれ以上の区画に分割することもよく行われており、例えば、多くの気筒を有する非常に大きなエンジンの場合には、排気ガス受け３のサイズが製造設備に対応可能なサイズを超えないように、そのような構成になっていることがある。排気ガス受け３を長さ方向に複数に分割する別の理由は、ターボ過給機５が複数存在する場合である。この場合、個々のターボ過給機５について、分割された排気ガス受け３の区画がひとつ割り当てられる。
【００４２】
通常、排気ガス受け３の断面積は、エンジンのピストン５１の断面積に等しいか、それより大きい。その結果として排気ガス受け３は大きな体積を有する。シリンダ１の排気弁４が開放すると、排気ダクト３５を通じて排気ガスのジェットが排気ガス受け３に流れ込んでくるが、そのジェットは圧力変動を生成することがある。排気ガス受け３の大きな体積は、この圧力変動を緩和することを可能にする。
【００４３】
長尺の排気ガス受け３には出口３３が設けられている。出口３３は管１８に接続されており、したがってＳＣＲリアクター１９に接続されている。このため排気ガス受け３に集められた排気ガスは、ＳＣＲリアクター１９を介してターボ過給機５のタービンへと流れていく。本実施携帯において、出口３３は、排気ガス受け３の長手方向の一端に位置している。したがって、排気ガス受け３の内部の主要な流れは一方向であり、出口３３に向かっている。
【００４４】
エンジンの各シリンダ１は、それぞれ個別に所定の燃焼シーケンスにしたがって燃焼する。したがって、対応する各排気弁４も同じシーケンスで開放し、また、高速の排気ガスジェットも、排気ダクト３５を通じて同じシーケンスで排気ガス受け３に流れ込む。なお、排気ガスジェットの速度は、初めは１００ｍ／ｓを超える速度であり、排気弁の開放フェーズの後段では遅くなる。
【００４５】
排気ダクト３５は、円筒状の排気ガス受けに対して接線方向に向けられており、それによってシリンダ１からの排気ガス（パルス）は、排気ガス受け３に接線方向から進入し、排気ガス受けの中に排気ガスの渦流または渦流運動を生じさせる。排気ガスが出口３３に向かって移動する間にも渦流は生じている。渦流を図５で矢印によって示す。
【００４６】
排気ガス受け３の中の排気ガスダクト３５の下流にはユニット４２が設けられる。ユニット４２は、排気ガス受け３を、ユニット４２の上流側の混合区間４８と、ユニット４２の下流側（すなわち反対側）の出口区間４９とに長手方向に分割する。混合区間４８には排気ガスダクト３５が位置する。ユニットは、全体的に肉厚の円板または環のような形状を有し、その直径は排気ガス受け３の内径に対応している。ユニット４２には複数のベーン（羽根）４３が備えられる。このベーンはユニット４２の中央・軸方向ダクト４７の周囲に配される。ベーンは、ダクトからユニット４２の外側領域で、排気ガス受け３の内壁へと径方向に延びる。このためユニットの径方向外側の領域は、ベーンが多く存在する排気ガス通路を形成する。ベーンまたはブレード４３は、曲がっている上流区間と曲がっていない下流区間とを有する。曲がっている上流区間は、混合区間４８に最も近いベーン４３の端部にあり、渦流排気ガスを受けて、排気ガスの渦流成分を圧力ゲインに変換する。曲がっていない下流区間は、曲がっている上流区間から出口区間４９に最も近いベーン４３の端部に亘っている。曲がっていない区間は出口区間４９の中への排気ガスの流れの方向を安定させ、直線的且つ渦を巻いていない流れにする。ベーンまたはブレード等の形状および配置が、ユニット４２の径方向外側区間を通って流れる排気ガスの渦からその渦流を消失させて、圧力を獲得させるように構成されるのであれば、如何なるベーンまたはブレード等の形状や配置を使用してもよい。
【００４７】
ユニットの内面はダクト４７によって形成される。この実施形態において、ダクト４７は管４０によって形成される。還元剤導入ポイントは噴射ノズル２１の形態を有し、ダクト４７の中に配されるか、または少し下方の管４０内に配される。軸方向ダクト４７は混合区間の中へ軸方向に延び、かつ混合区間４８の長さの大部分にわたって存在する。軸方向ダクトは、混合区間４８の中へ延在する同心管４０の一部であり、排気ガスは同心管４０の周囲で渦流を成す。管４０の近位端は、ユニット４２の中のダクト４７によって形成され、管４０の入口を構成する。管４０の遠位端は開口しており、排気ガス受け３の長手方向端部とは間隔が空いていて、管４０の出口を構成する。
【００４８】
排気ガス受け３の出口区間４９は出口３３を含む。出口３３は、導管１８を介して選択接触還元リアクター１９の入口に接続される。
【００４９】
運転中、個々の排気ダクト３５を介して進入するシリンダ１からの排気ガスは、管４０の周囲で渦流運動を行い、ユニット４２に向かう。ユニット４２は、混合区間４８から出口区間４９までの途中で、ユニットの径方向外側区間の中をベーン４３に沿って渦流排気ガスが流れるように配置される。この過程において、排気ガスは、その渦流を消失し、排気ガスは圧力を獲得する。すなわち、排気ガスの渦流成分が、排気ガスの圧力ゲインに変換される。ユニット４２の径方向外側区間から退出する排気ガスの圧力は、ユニット４２の径方向外側区間に進入する排気ガスの圧力よりも高い。したがって、同様に、管４０の出口の近くの排気ガスの圧力は、ユニット４２の径方向外側区間から退出する排気ガスの圧力よりも低い。結果的に、管４０の入口での圧力は、管の出口での圧力よりも高く、この圧力差は、混合区間４８からダクト４７および管４０を通して混合区間への排気ガスの流れを生じさせる。
【００５０】
混合ユニットおよび排気ガス受けは、管４０を通って混合区間４８に戻る流れが、比較的速度の遅い非渦流になるように構成される。さらに、混合ユニットおよび排気ガス受けは、ユニット４２の径方向外側区間から退出する全ての排気ガスの一部分、好ましくは、わずかな部分だけしか混合区間４８へと逆に運ばれないように構成され、ユニット４２の径方向外側区間から退出する排気ガスの大部分は出口３３を通って触媒還元リアクター１９へと流れるように構成される。 
【００５１】
ユニット４２および出口チャンバ４９の追加により、排気ガス受け３の全長は、従来の排気ガス受けと比較して長くなる。
【００５２】
運転中、還元剤は、ノズルを有する噴射弁２１を介してダクト４７／管４０の中の層流へと噴射され、それによって還元剤は、出口区間４９から混合区間４８に戻る排気ガスと混合することが可能になる。渦流にはなっていないので、還元剤が管４０の内壁と接触しないようにすることができる。また、例えば尿素のような還元剤が、排気ガス受けの壁と接触しうる前に蒸発して分解するための十分な時間を有することを可能にする。従って、還元剤の堆積の危険性は減少する。還元剤が尿素である場合、管４０の中の排気ガスの高い温度は、尿素をアンモニアのガスに加水分解（熱分解）し、噴射された尿素水溶液の水性部は蒸発してしまう。
【００５３】
ダクト４７／管４０の中の流れが非渦流になることをさらに確実にするために、還元剤が噴射される位置の近くに案内ベーンを設けることができる。好ましくは、案内ベーンは、直線的であり、管４０の中で軸方向に延在する。一実施形態において、案内ベーンの軸方向長さは、管４０の直径にほぼ等しい。
【００５４】
この実施形態において、還元剤導入ポイントは、ダクト４７の中に位置する噴射弁２１である。水性の尿素溶液は、スプレーまたはジェットの形態で、噴射弁２１のノズル孔からダクト４７の中へ噴射される。蒸発した水性尿素溶液は、管４８の始まりにおいて排気ガス受け３へと入る。このポイントから、蒸発した水性尿素溶液は、管４８の中の層流の主方向に運ばれる。
【００５５】
添加された還元剤を有する排気ガスが管４０から出るとき、混合区間４８の渦流排気ガスと混合することが可能となる。したがって還元剤は、渦流排気ガスの中に存在し、還元剤と適切に混合された排気ガスの大部分は、出口区間４９から出口３３を通ってＳＣＲリアクター１９の入口へと流れていく。還元剤と適切に混合された排気ガスは、ＳＣＲリアクター１９を通ってＳＣＲリアクター１９の出口へと流れていく。この過程でＮＯｘは還元剤の助けを借りてＮ２および水に還元される。ＮＯｘ量が低減された排気ガスは、ＳＣＲリアクター１９の出口から、ターボ過給機５のタービン６の入口へと流れていき、そこから第２の排気導管７へと流れていく。第２の排気導管７は、排気ガスをタービン６の出口からサイレンサ２８の入口に導く。第３の排気導管２９は、排気ガスをサイレンサ２８の出口から外気へ導く。
【００５６】
還元剤（尿素水溶液）は、一定の流れとして噴射されてもよい。また還元剤は、間欠的に噴射されてもよい。これは、噴射された還元剤が排気ガス受け３の中で排気ガスと混合し分散されるのに十分な時間及び機会があるためである。したがって、還元剤の噴射のタイミングはそれほど重要ではない。これは、電子制御ユニット５０が電子制御弁２３の開弁タイミングを制御する、タイミングベースの薬剤投入システムの使用を可能とする。タイミングの制御は投入レートの広い範囲にわたって正確なプロセスであるので、比較的シンプルで、正確且つ信頼性の高い投入システムが提供される。還元剤の投入ポイントが一点であることは、システムをシンプルにするのに役立っている。
【００５７】
還元剤の投入をタイミングによって制御しうることは、噴射イベントに対して事実上一定の圧力を維持し、それぞれの噴射イベントにおいて還元剤を正しく霧化することができるようなシステムを構築することを容易にする。
【００５８】
実施形態によっては、還元剤投入システムは、噴射圧力を調整することにより遂行される制御を用いた定常的な流れを採用したり、複数のノズルのうち所定数のものを選択的にアクティブにすることを採用したりしてもよい。
【００５９】
ダクト４７の直径および管４０の長さは、必要および状況に応じて適切に変えることができる。ある実施形態では、ダクトがユニット４２の厚さをわずかに超える長さしか軸方向に延伸しないように、管を非常に短くするか、または完全に省略することができる。混合区間４８における渦流の効果は、混合区間４８の途中に圧力が比較的低く流れの穏やかな同心領域をもたらし、還元剤が蒸発および加水分解するための、壁から離れ且つ穏やかな環境を提供する。
【００６０】
噴射弁２１／ノズルを１つ用いる代わりに、複数の弁および／またはノズルを使用することができる。
【００６１】
図７は、別の例示的な実施形態を示す。この実施形態は、図４の実施形態と本質的に同一である。しかしながら、この実施形態において、排気ガス受け３には、各長手方向端部に１つずつ、２つの出口３３が設けられる。故に、排気ガス受けは、排気ガス受けの対向する長手方向端部に２つの出口チャンバ４９を有し、それらの間に１つの混合チャンバ４８と、２つのユニット４２とを有する。それ以外の点で、動作および構造は、図４の実施形態と同一である。図７の実施形態は、直列に多くの（例えば５つを超える）シリンダを有し、例えば出口３３の各々に対応してターボ過給機が設けられるような、複数のターボ過給機５を有するエンジンに特に有用である。そのようなエンジンはまた、それぞれの出口３３とターボ過給機５との間に１つずつ、計２つのＳＣＲユニット１９を有してもよい。
【００６２】
図８および図９は別の例示的な実施形態を示す。図３の破線と組み合わせて参照されたい。この例示的な実施形態は、図４〜図６の実施形態と本質的に同一であるが、バイパス出口３９が設けられると共に、バイパス出口３９の中にＳＣＲバイパス弁３７が加えられたことが異なっている。バイパス出口３９は、混合区間４８に接続され、ＳＣＲ１９をバイパスするために、バイパス導管３８を介してターボ過給機５のタービン６の入口に直接接続する。バイパス出口３９、電子制御ユニット５０の制御下にあるバイパス弁３７、およびバイパス導管３８は、排気ガスがＳＣＲユニットをバイパスすることを可能にする。このバイパス弁３７は、ＳＣＲ１９が使用中であるときには閉じられる。ＳＣＲは、通常、法律によって必要とされる範囲内でだけ使用される。ＳＣＲ１９が使用されていないときには、圧力損失を減少および燃料消費率の改善という点で、排気ガスをターボ過給機５に直接的に導くことは有益である。ＳＣＲ１９を使用する際には、（１時間程度をかけて）バイパス弁３７をゆっくり閉じることによって、ＳＣＲ１９を緩やかに暖めることが必要である。バイパスのパイプは、接線方向に向けられた出口として作用し、渦流排気ガスが流動方向の変化を最小に抑えて排気ガス受け３から退出することを可能にするように配されまた構成される。ＳＣＲが使用されていない場合において、排気ガスが接線方向から排気ガス受け３に進入することと、排気ガスが接線方向から排気ガス受け３から出て行くこととの組み合わせは、排気ガスが排気ガス受けを通過するときのエネルギー損失を少なくする。このため、ターボ過給機のタービンで利用可能なエネルギーの量は、従来の排気ガス受けよりも多くなることがある。
【００６３】
図１０および図１１は、大型２サイクルディーゼルエンジンの排気ガス受けの別の例示的な実施形態を示す。この実施形態は、何らかの形態の混合システムが含まれ得るが、還元剤を混合するための手段が排気ガス受け３に設けられていないという点で、上で説明した実施形態と異なる。この実施形態において、排気ガス受け３は、上記の実施形態にあるような大型ターボ過給式２サイクルディーゼルエンジンのシリンダ１に沿って置かれ、個々の排気ダクト３５を介してシリンダ１に接続される。個々の排気ダクト３５は、排気ガス受け３の中で排気ガスに渦流を生じさせるために、シリンダ１からの排気ガスを円筒状排気ガス受け３へ接線方向に向けて進入させるように配される。排気ガス受け３は、エネルギー損失を最小化し、かつ、排気ガス受け３の中の流れに対するいかなる障害物もないように、特に、接線方向の流れまたは、接線方向および軸方向の流れ、すなわち螺旋状の流れを阻止または妨害する、いかなる障害物もないように最適化される。したがって、図１１で示されるように、排気ガス受けの内側で軸方向に配置される円筒管４０があってもよいが、接線方向および／または軸方向の流れを妨げるような如何なる物体も忌避されるべきである。さらに出口３６は、渦流排気ガスが螺旋型の流れパターンで最小のエネルギー損失を伴って排気ガス受けから出ることができるように、接線方向に向けられる。出口３６は、ターボ過給機５のタービン６につながる導管に接続される。接線方向に向けられた出口３６は、排気ガスダクトから出口３６までの流れパターン全体が基本的に螺旋であるので、接線方向の排気ガスダクトによって起こる渦流排気ガスが、流動方向の変化が最小になるように、および／またはできる限り緩やかになるように、排気ガス受け３から出ることを可能にするように配され、構成される。したがって、排気ガス受けから退出する排気ガスのエネルギーは高く、より多くのエネルギーを、排気ガス受けが使用されるエンジンのターボ過給機のタービンに届けることができる。
【００６４】
請求項において「備える」「有する」との表現は、さらに他の要素や処理を備える（有する）ことを除外しない。請求項において要素が単数のように記載されていても、それが複数である構成を除外しない。請求項に記載される単一の処理手段やユニットは、同じ機能を有する複数の手段でありうる。
【００６５】
請求項に記載される参考符号は、技術的範囲を制限するものと解釈されるべきではない。
【００６６】
本発明を例示目的で詳細に説明してきたが、これらの詳細は純粋にこの目的のために提示されたものであり、本発明の範囲を逸脱することなく、当業者によって様々な変形がなされうるものであることを理解されたい。例えば本発明は、排気ガス再循環を用いる大型２ストロークエンジンにおいても実施可能である。
【図１】
0005349675.tif 000002
【図２】
0005349675.tif 000003
【図３】
0005349675.tif 000004
【図４】
0005349675.tif 000005
【図５】
0005349675.tif 000006
【図６】
0005349675.tif 000007
【図７】
0005349675.tif 000008
【図８】
0005349675.tif 000009
【図９】
0005349675.tif 000010
【図１０】
0005349675.tif 000011
【図１１】
0005349675.tif 000012