(57)【要約】【課題】筒内アンモニア噴射方式の脱硝システムを備えた舶用内燃機関において、筒内アンモニア噴射方式の脱硝率を向上させる。【解決手段】燃料を高圧噴射して燃焼させる燃焼室１１内に、燃料とは別系統でアンモニア水を高圧噴射する筒内アンモニア噴射方式の脱硝システム３０を備えた舶用内燃機関１０が、燃焼室１１内の圧力を検出する筒内圧力センサ４１と、掃気室１２内の空気温度を検出する掃気温度センサ４２と、クランク角度を検出するクランク角度センサ４３と、筒内圧力センサ４１、掃気温度センサ４２及びクランク角度センサ４３から入力される検出値に基づいて筒内ガス温度を算出し、該筒内ガス温度が所定の温度範囲内にある場合にアンモニア水の高圧噴射指令を出力する制御部４０とを備えている。【選択図】図１
2013113153.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料を高圧噴射して燃焼させる燃焼室内に、燃料とは別系統でアンモニア水を高圧噴射する筒内アンモニア噴射方式の脱硝システムを備えた舶用内燃機関であって、
前記燃焼室内の圧力を検出する筒内圧力センサと、
掃気室内の空気温度を検出する掃気温度センサと、
クランク角度を検出するクランク角度センサと、
前記筒内圧力センサ、前記掃気温度センサ及び前記クランク角度センサから入力される検出値に基づいて筒内ガス温度を算出し、該筒内ガス温度が所定の温度範囲内にある場合に前記アンモニア水の高圧噴射指令を出力する制御部と、
を備えていることを特徴とする舶用内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、たとえばガスエンジンやディーゼルエンジン等の舶用内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ディーゼルエンジンやガスタービン等の内燃機関においては、排気ガス中に含まれる窒素化合物（ＮＯｘ）を除去する脱硝装置が用いられている。脱硝装置の脱硝方法としては、排気ガス通路に設けたチタン・バナジウム系の触媒に還元剤となるアンモニアを供給することによってＮＯｘと反応させ、窒素（Ｎ２）と水（Ｈ２Ｏ）とに分解するアンモニア選択的触媒還元法（ＳＣＲ脱硝法）が知られている。
エンジン排ガスのＮＯｘ処理システムに適用されている一般的なＳＣＲ脱硝法は、燃焼室から排出された排気中に尿素を注入するものであり、分解されて発生するアンモニアとＮＯｘとを反応させて窒素と水とに分解することで高い脱硝率を実現できる。
【０００３】
また、下記の特許文献１には、内燃機関の燃焼室に対し、燃料系とは別にアンモニアまたはその化合物の水溶液を高圧噴射する燃焼方法が開示されており、アンモニアの還元効果等により窒素酸化物を低減できることが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開昭５３−１４８６１１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、燃焼室から排出された排気中に尿素を注入する従来のＳＣＲ脱硝法は、高い脱硝率を実現できる反面、大きな設置スペースを要する上、ディーゼルエンジンに適用した場合、触媒が舶用重油中の硫黄分に被毒する問題を有している。
一方、内燃機関の燃焼室にアンモニアを噴射する方式（筒内アンモニア噴射方式）の脱硝法は、触媒を用いずにＮＯｘを窒素と水とに分解する方法である。この筒内アンモニア噴射方式は、ボイラ排ガスのＮＯｘ低減方法として実績があるものの、ガスエンジンやディーゼルエンジンに適用された実績はない。
【０００６】
また、従来の筒内アンモニア噴射方式は、触媒が不要で大きな設置スペースを要しないという利点を有する反面、脱硝率が４０％程度と低い。このため、少ないアンモニア噴射量を効率的にＮＯｘと反応させ、脱硝率を向上させることが必要となる。
本発明は、上記の課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、筒内アンモニア噴射方式の脱硝システムを備えた舶用内燃機関において、筒内アンモニア噴射方式の脱硝率を向上させることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、上記の課題を解決するため、下記の手段を採用した。
本発明に係る舶用内燃機関は、燃料を高圧噴射して燃焼させる燃焼室内に、燃料とは別系統でアンモニア水を高圧噴射する筒内アンモニア噴射方式の脱硝システムを備えた舶用内燃機関であって、前記燃焼室内の圧力を検出する筒内圧力センサと、掃気室内の空気温度を検出する掃気温度センサと、クランク角度を検出するクランク角度センサと、前記筒内圧力センサ、前記掃気温度センサ及び前記クランク角度センサから入力される検出値に基づいて筒内ガス温度を算出し、該筒内ガス温度が所定の温度範囲内にある場合に前記アンモニア水の高圧噴射指令を出力する制御部と、を備えていることを特徴とするものである。
【０００８】
このような舶用内燃機関によれば、燃焼室内の圧力を検出する筒内圧力センサと、掃気室内の空気温度を検出する掃気温度センサと、クランク角度を検出するクランク角度センサと、筒内圧力センサ、掃気温度センサ及びクランク角度センサから入力される検出値に基づいて筒内ガス温度を算出し、該筒内ガス温度が所定の温度範囲内にある場合にアンモニア水の高圧噴射指令を出力する制御部とを備えているので、筒内ガス温度が所定の温度範囲内にある場合、すなわち、筒内ガス温度がＮＯｘとアンモニアとの反応に最適な温度状況でアンモニア水を高圧噴射することが可能になる。
【０００９】
この場合、ＮＯｘとアンモニアとの反応に適正な温度は８００〜１０００℃程度と言われており、従って、アンモニア水を筒内に高圧噴射する好適なタイミングは、筒内ガス温度が８００〜１０００℃程度の温度状況となる。従って、燃焼室内ガス温度が燃焼行程時に数百℃〜２０００℃以上の範囲で温度変化するガスエンジンやディーゼルエンジンにおいては、燃料の燃焼期間中が最も高温となるため、高圧噴射に好適なタイミングは最も温度低下する燃焼行程終了時よりも若干早い燃焼行程終了前の時点となる。
【発明の効果】
【００１０】
上述した本発明によれば、筒内ガス温度がＮＯｘとアンモニアとの反応に最適な温度状況でアンモニア水を高圧噴射するので、少ないアンモニア噴射量を効率的にＮＯｘと反応させることができる。この結果、筒内アンモニア噴射方式の脱硝システムを備えた舶用内燃機関においては、筒内アンモニア噴射方式の脱硝率が向上して効率的に脱硝できるという顕著な効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明に係る舶用内燃機関の一実施形態を示す概略構成図である。
【図２】図１の制御部における制御フローを示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明に係る舶用内燃機関の一実施形態を図面に基づいて説明する。
図１に示す実施形態の舶用内燃機関１０は、たとえばガスエンジンやディーゼル機関等のように燃料を高圧噴射して燃焼させる内燃機関である。舶用内燃機関１０の燃焼室１１には、燃料とは別系統でアンモニア水を高圧噴射する筒内アンモニア噴射方式の脱硝システム３０が設けられている。
【００１３】
図示の舶用内燃機関１０は、掃気室１２を備えた２サイクル機関であり、図示しない燃料タンクと配管で接続された燃料昇圧装置１３及び燃料噴射弁１４を備えている。この場合の燃料昇圧装置１３は、ガス燃料を使用するガスエンジンでは圧縮機となり、軽油等の液体燃料を使用するディーゼルエンジンでは噴射ポンプとなる。
また、図中の符号１５は、燃焼室１１と接続された静圧排気管であり、この静圧排気管１５は、掃気により燃焼室１１内から排出された排気ガスを導入して過給機２０の排気タービン２１に供給する。
【００１４】
過給機２０は、排気タービン２１を駆動源とする圧縮機２２が外気を吸入して圧縮する装置である。排気タービン２１に供給された高温高圧の排気ガスは、排気タービン２１を駆動する仕事をした後、大気へ放出される。
一方、圧縮機２２から得られた圧縮空気は、空気密度を増すため空気冷却器２３を通過して冷却された後、舶用内燃機関１０の燃焼用空気として掃気室１２に供給される。
【００１５】
脱硝システム３０は、燃焼室１１内にアンモニア水を高圧噴射するため、図示しないアンモニア水タンクと配管で接続されたアンモニア噴射ポンプ３１及びアンモニア噴射弁３２を備えている。この脱硝システム３０は、後述する制御部４０から出力されるアンモニア水の高圧噴射指令を受けて、燃焼室１１の内部にアンモニア水を高圧噴射するように構成された筒内アンモニア噴射方式を採用している。
【００１６】
本実施形態では、燃料を高圧噴射して燃焼させる燃焼室内１１に、燃料とは別系統でアンモニア水を高圧噴射する脱硝システム３０を備えた舶用内燃機関１０が、燃焼室１１内の圧力（筒内圧力）を検出する筒内圧力センサ４１と、掃気室１２内の空気温度（掃気室空気温度）を検出する掃気温度センサ４２と、クランク角度を検出するクランク角度センサ４３とを備えている。そして、筒内圧力センサ４１、掃気温度センサ４２及びクランク角度センサ４３の検出値は、いずれも制御部４０に入力される。
【００１７】
ここで、筒内圧力、掃気室空気温度及びクランク角度を検出するのは、燃焼室１１内のガス温度（筒内ガス温度）を直接検出することができないためである。
従って、検出可能な筒内圧力、掃気室空気温度及びクランク角度の検出値に基づいて、周知の状態方程式から筒内ガス温度を算出する。ここで、クランク角度を検出するのは、状態方程式から筒内ガス温度を算出する際に必要となる燃焼室１１の容積をクランク角度から算出するためである。
【００１８】
従って、制御部４０では、筒内圧力センサ４１、掃気温度センサ４２及びクランク角度センサ４３から入力される検出値に基づいて筒内ガス温度を算出し、筒内ガス温度の算出値が所定の温度範囲内にある場合にのみ、脱硝システム３０に対してアンモニア水の高圧噴射指令を出力する。この結果、脱硝システム３０のアンモニア噴射ポンプ３１が作動することになるので、アンモニア噴射弁３２から高圧噴射したアンモニア水が燃焼室１１内に供給される。
【００１９】
図２には、制御部４０において、アンモニア水の高圧噴射指令を出力するまでの制御フローが示されている。
最初のステップＳ１で制御フローがスタート（ＳＴＡＲＴ）されると、次のステップＳ２においては、掃気室空気温度、クランク角度、筒内圧力の各検出値を対応する掃気温度センサ４２、クランク角度センサ４３及び筒内圧力センサ４１から取得する。
【００２０】
この後、ステップＳ３においては、掃気室空気温度、クランク角度、筒内圧力の各検出値を用い、状態方程式から筒内ガス温度を算出する。このとき、燃焼室１１の容積については、クランク角度との対応から容易に算出することができる。
こうして得られた筒内ガス温度は、次のステップＳ４において、所定の温度範囲内に入っているか否かを判断する。すなわち、算出した筒内ガス温度が、ＮＯｘとアンモニアとの反応に適正な下限値から、反応に適正な上限値までの範囲内に入っているか否かについて判断する。なお、この場合、下限値及び上限値と一致する温度については、所定の温度範囲内に含まれる。
【００２１】
ステップＳ４の判断において、筒内ガス温度が所定の範囲内に入っていると判断されたＹＥＳの場合には、次のステップＳ５に進んでアンモニア水の高圧噴射指令が出力され、アンモニア噴射ポンプ３１を作動させる。この結果、燃焼室１１内には、アンモニア噴射弁３２から高圧噴射したアンモニア水が供給される。なお、この場合の高圧噴射指令は、所定時間出力された後、ステップＳ６のリターン（ＲＥＴＵＲＮ）に進んでステップＳ２に戻り、同様の制御フローが継続される。
【００２２】
しかし、ステップＳ４の判断において、筒内ガス温度が所定の範囲内に入っていないと判断されたＮＯの場合には、ステップＳ５をバイパスしてステップＳ６に進むので、ステップＳ２に戻って同様の制御フローが継続される。
なお、上述した制御フローは、舶用内燃機関１０の運転開始でスタートし、舶用内燃機関１０の運転終了まで継続される。
【００２３】
ところで、ＮＯｘとアンモニアとの反応に適正な温度は８００〜１０００℃程度と言われており、従って、アンモニア水を筒内に高圧噴射する好適なタイミングは、筒内ガス温度が８００〜１０００℃程度の温度状況となる。ディーゼルエンジンや高噴射方式のガスエンジンとなる舶用内燃機関１０においては、一般的に燃焼行程の燃焼期間中で燃焼室内ガス温度が２０００℃を数百℃上回る高温になり、燃焼行程の終了時点で数百℃程度まで低下すると言われている。このため、本実施形態の舶用内燃機関１０では、燃焼行程終了より若干前の時点で筒内ガス温度が８００〜１０００℃程度となり、従って、燃焼行程終了より若干前の時点がアンモニア水を筒内に高圧噴射する好適なタイミングになる。
【００２４】
このように、本実施形態の舶用内燃機関１０は、筒内ガス温度が所定の温度範囲内にある場合、すなわち、筒内ガス温度がＮＯｘとアンモニアとの反応に最適な温度状況でアンモニア水を高圧噴射するので、噴射されたアンモニアを効率よくＮＯｘと反応させることができる。この結果、アンモニア噴射量が少なくても、効率的にＮＯｘと反応させて脱硝することができる。すなわち、筒内アンモニア噴射方式の脱硝システム３０を備えた舶用内燃機関１０は、筒内アンモニア噴射方式の脱硝率向上により、効率的な脱硝を実施することができる。
【００２５】
従って、触媒が不要となる筒内アンモニア噴射方式の脱硝システム３０を備えた舶用内燃機関１０は、大きな設置スペースを必要とせず、しかも、ディーゼルエンジンに適用した場合に問題となっていた被毒を生じることもないので、限られたスペース内に設置する舶用として好適である。
なお、本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、その要旨を逸脱しない範囲内において適宜変更することができる。
【符号の説明】
【００２６】
１０    舶用内燃機関
１１    燃焼室
１２    掃気室
１３    燃料昇圧装置
１４    燃料噴射弁
１５    静圧排気管
２０    過給機
３０    脱硝システム
３１    アンモニア噴射ポンプ
３２    アンモニア噴射弁
４０    制御部
４１    筒内圧力センサ
４２    掃気温度センサ
４３    クランク角度センサ
【図１】
2013113153.tif 000003
【図２】
2013113153.tif 000004