(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ディーゼル機関の排気出口と排気ターボ過給機との間の排気通路に脱硝触媒を備えた脱硝装置を設置してなる脱硝装置付きディーゼル機関において、
前記ディーゼル機関と脱硝装置との間の排気通路から分岐され、該脱硝装置をバイパスして、脱硝装置と前記排気ターボ過給機との間の排気通路に接続されるバイパス管路を設けるとともに、該バイパス管路に該管路を開閉する制御弁を設け、機関負荷、機関の排気ガス温度等の機関運転状態の検出信号が入力され、該検出信号に基づき、前記制御弁を開閉制御する弁調整装置を備えたことを特徴とする脱硝装置付きディーゼル機関。
【請求項２】
前記脱硝装置下流の排気通路の前記バイパス管路の合流点よりも上流側の部位に、該排気通路を開閉する第２の制御弁を設けてなる請求項１記載の脱硝装置付きディーゼル機関。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、排気ガス浄化の為の脱硝装置を備えたディーゼル機関に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ディーゼル機関は、高い熱効率を有することから船舶用主機関や車両走行用の他に発電用（定置用）としても、拡く使用されている。
かかるディーゼル機関は、上記のように高い熱効率を有する一方で、燃焼温度が高いため、窒素酸化物（ＮＯX ）の排出がガソリン機関等、他の内燃機関に較べて多くなるという課題を抱えており、これに対処するため、特に発電用等の定置用ディーゼル機関においては機関の排気通路に脱硝触媒が装鎭された脱硝装置を設置して、ＮＯX の低減を行なっている。
【０００３】
図３は前記ディーゼル機関における従来の脱硝装置の設置態様を示す。
図３の（Ａ）に示すものは、排気ターボ過給機出口の排気ガス温度が３００℃程度を超えるディーゼル機関１ａを使用する場合で、この場合は過給機出口の排気ガス温度が高く、高温対応の脱硝装置即ち高温脱硝装置２が作動可能であるので、該高温脱硝装置２を機関出口の排気通路６に設けている。
【０００４】
図３の（Ｂ）に示すものは、排気ターボ過給機出口の排気ガス温度が３００℃以下のディーゼル機関１ｂを使用する場合で、排気ガス温度が低いことから、低温対応の低温脱硝装置２２を排気通路６に設けている。
【０００５】
さらに図３の（Ｃ）に示すものは、排気ターボ過給機５の入口の排気ガス温度が３００℃を超え、排気ターボ過給機５の出口の排気ガス温度が３００℃以下となるもので、この場合は高温対応の高温脱硝装置２を排気ターボ過給機５の入口側の排気通路６に設けている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
前記のような、発電用（定置用）や車両用ディーゼル機関においては、近年は環境基準の強化から、機関より排出されるＮＯX の濃度を数十ｐｐｍレベルまで低下させることが要求されている。
然るに、排気ガス濃度を前記のレベルまで下げるには、脱硝装置の脱硝率を９０％以上という高い値に保持する必要がある。
【０００７】
上記のような、高い脱硝率を得るためには、脱硝触媒の量を増加するか、あるいは脱硝触媒自体の性能を上昇させる方法があるが、前者は高脱硝率達成のためにディーゼル機関本体の容積以上の大容量の脱硝装置が必要となり、設置スペース上の問題がある。一方、後者の場合、即ち脱硝触媒自体の性能を上昇させて、かつ、その設置スペースも許容できる範囲内に収めるには、雰囲気温度３００℃以上で使用する高温脱硝触媒を使用することが必要となる。
【０００８】
一般に舶用や大容量発電用としての低速大型ディーゼル機関の場合、排気ガスの機関出口つまり、通常は排気ターボ過給機出口の温度は３００℃以下であることから、過給機出口に脱硝装置を設置するような配置では、目標とする排気ガス中のＮＯX 低減がなされない。このため、かかる低速大型ディーゼル機関においては、排気ガス温度が３００℃以上となる各シリンダ出口と過給機５のタービン入口との間に脱硝装置を設置するような構造を採用することとなる。
【０００９】
しかしながら、かかる構造の機関では、機関１から過給機５に供給される排ガスエネルギーが、脱硝装置（脱硝触媒及びその保持体）の持つ熱容量によって、該脱硝装置の温度上昇に使用されるため、排ガスエネルギーの過給機５への到達時間が長くなる。この傾向は、特に、機関の冷態時からの負荷上昇時に顕著となる。
【００１０】
このため、上記現象によって、過給機５への供給エネルギーと機関負荷とに時差が生じ、これによって機関負荷の上昇速度が制限され、また、負荷変動に対する応答性も著しく損われることとなる。かかる過給機５の応答遅れは、機関への供給空気量の不足あるいは過剰も招き、安定した機関の運転が困難となる。
【００１１】
本発明はかかる従来技術の課題に鑑み、機関の始動時からの立ち上がり等の負荷の大なる運転域では機関の加速性、応答性を良好に保持し、かつ一定負荷以上の中、高負荷運転域では、高い脱硝率で以って脱硝をなし得る脱硝装置付きディーゼル機関を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明はかかる課題を解決するために、ディーゼル機関の排気出口と排気ターボ過給機との間の排気通路に脱硝触媒を備えた脱硝装置を設置してなる脱硝装置つきディーゼル機関において、前記ディーゼル機関と脱硝装置との間の排気通路から分岐され、該脱硝装置をバイパスして、脱硝装置を前記排気ターボ過給機との間の排気通路に接続されるバイパス管路を設けると共に、該バイパス管路に該管路を開閉する制御弁を設け、機関負荷、機関の排気ガス温度等の機関運転状態の検出信号が入力され、該検出信号に基づき、前記制御弁を開閉制御する弁調整装置を備えたことを特徴とする脱硝装置付きディーゼル機関を提案する。
【００１３】
そして、好ましくは上記手段に加えて、前記脱硝装置下流の排気通路の前記バイパス管路の合流点よりも上流側の部位に、該排気通路を開閉する第２の制御弁を設ける。
【００１４】
かかる発明によれば、ディーゼル機関の始動から一定負荷までの立ち上がり時には、弁調整装置は第１の制御弁を開度を大きくし、あるいは全開としてバイパス管路を開くとともに、第２の制御弁の開度を小さくする。
かかる弁操作により、機関よりの排気ガスはその大部分がバイパス管路を通って直接排気ターボ過給機に送られてこれを駆動する。
【００１５】
従って、上記始動から一定負荷までの立ち上がり運転域では、排気ガスが脱硝触媒をバイパスして直接過給機に送られることとなり、脱硝装置を通流することによる時間遅れの発生がなく、高い応答性で以って過給機が作動し、機関の迅速な加速が得られる。
【００１６】
また、かかる立ち上がり時には、排気ガスは脱硝装置まで到達しているので、脱硝装置のウォームアップは充分になされ、排気ガス量の増大に対応可能な状態とすることができる。
【００１７】
機関の負荷が増大し、一定負荷に達すると前記弁調整装置は第１の制御弁を閉じ、第２の制御弁を全開として、排気ガスの全量を脱硝触媒に通流させる。これによって上記のようにして充分にウォームアップされた脱硝装置中の触媒は高温の排気ガスと反応し、高い脱硝率で以ってＮＯX を除去する排気ガス浄化作用を行なう。
【００１８】
上記のようにして、弁調整装置は、機関の運転状態を検出しながら第１、第２の制御弁の開度を調整することにより、脱硝装置を流れる排気ガスの温度を、触媒が有効に作動する温度に保持せしめることができる。
【００１９】
かかる動作により、機関の始動時以後の立ち上がり時には、機関出力の迅速な増大及び応当性の良好な運転がなされるとともに、脱硝触媒の充分なウォームアップもなすことができる。
【００２０】
また、脱硝触媒の本格的な作動を必要とする負荷運転時には、前記弁調整装置で２つの制御弁の開度を調整することにより、脱硝触媒を通る排気ガス温度を過昇となることなく触媒が活性化される一定の温度に保持することができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の好適な実施例を例示的に詳しく説明する。
但し、この実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がないかぎりは、この発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
【００２２】
図１は本発明の実施形態に係る脱硝装置付きディーゼル機関の系統図、図２は制御線図をそれぞれ示す。
図１において１はディーゼル機関（この例では低速大型ディーゼル機関とする）、６は該ディーゼル機関１からの排気ガスが通流する排気通路、５は前記排気ガスにより駆動される排気ターボ過給機（以下過給機と略称する）、２は高温脱硝装置である。７は前記過給機５からの過給空気を機関１に送給するための給気通路である。
【００２３】
前記高温脱硝装置２にはほぼ３００℃以上の排気ガス温度にて使用される高温脱硝触媒が装鎭され、前記過給機５のタービン入口の上流側の排気通路６（つまりディーゼル機関１と過給機５の間の排気通路）に設けられている。
【００２４】
３は排気ガスのバイパス管であり、前記高温脱硝装置２の上流側の排気通路６から分岐されて、該脱硝装置２をバイパスし、該脱硝装置２の出口と過給機５の入口との間の排気通路６に合流されている。
【００２５】
該バイパス管３には該管路３を開閉してその通路面積を調整する制御弁（Ａ）１０が設けられ、また、前記高温脱硝装置２と前記バイパス管３の合流点１３との間の排気通路６には該通路の流路面積を調整する制御弁（Ｂ）１１が設けられている。
【００２６】
４は弁調整装置であり、機関負荷Ｌ機関出口の排気ガス温度Ｔ1 脱硝装置２出口の排気ガス温度Ｔ2 等の機関運転状態及び脱硝装置の運転状態を示す、運転状態の検出信号が入力され、かかる運転状態の検出信号に基づき、前記２つ制御弁（Ａ）１０、（Ｂ）１１の開度を算出して、該制御弁（Ａ）１０、（Ｂ）１１を開閉制御する。
【００２７】
かかる構成による脱硝装置付きディーゼル機関の動作を図１、図２を参照して説明する。
機関１から排出された３００℃以上の高温の排気ガスは排気通路６を通って高温脱硝装置２に入り、ここで脱硝触媒との反応によってＮＯX が除去されて浄化され、制御弁（Ｂ）１１を有する排気通路６を通って、過給機５に送られ、該過給機５を駆動した後、外部に排出される。
前記過給機５にて加圧された給気は給気通路７を通って機関１に供給される。
【００２８】
前記ディーゼル機関１の始動から負荷上昇時のような大きな負荷変化の運転時（図２の負荷増加域）には前記弁調整装置４は、前記負荷Ｌ、排気ガス温度Ｔ1 、Ｔ2 等の運転状態の検出信号に基づき、図２の（２）に示すように、制御弁（Ａ）１０の開度を始動から一定の負荷Ｙ1 までは全開とし、制御弁（Ｂ）１１の開度を始動から立ち上がりの一定負荷Ｙ2 まで全閉とし、ここから負荷の増加に応じて開度を大きくするように制御する。
【００２９】
かかる制御により、機関からの排気ガスは脱硝装置２を通流せず、これによる時間遅れを生ずることなく、バイパス管３を通って過給機５に送られ、該過給機５は迅速に作動し、機関１には負荷に応じた量の空気が過給機５から送り込まれる。これにより、機関１は加速性が向上すると共に、高い応当性で以って運転される。
【００３０】
一方、制御弁（Ｂ）１１が閉じていても、高温脱硝装置２までは高温の排気ガスが送り込まれているので、該脱硝装置２内の触媒が短時間でウォームアップされる。
【００３１】
そして、前記弁調整装置４は機関負荷の上昇に従い、制御弁（Ｂ）１１の開度を増加し、（負荷Ｙ4 で全開）高温脱硝装置２に流れる高温の排気ガス量を増加させる。これにより、前記のようにしてウォームアップされた脱硝装置２は３００℃以上の排気ガスと反応してこれのＮＯX を効果的に除去する。
【００３２】
機関１の負荷が増大して、一定負荷Ｙ1 になり、排気ガス量が増加し、温度が上昇すると、弁調整装置４は制御弁（Ａ）１０を閉じ始め、負荷Ｙ3 にて全閉とする。
【００３３】
これにより、Ｙ3 以上の負荷では制御弁（Ｂ）１１が全開、制御弁（Ａ）１０が全閉となり、高温の排気ガスの全量が高温脱硝装置２を通り、ＮＯX の除去がなされる。
【００３４】
ここで前記弁調整装置４は前記負荷Ｌ、機関出口（脱硝装置入口）の排気温度Ｔ1 及び脱硝装置２出口の排気温度Ｔ2 等の運転状態の検出信号に基づき、脱硝装置２を通る排気ガス温度が過昇となると制御弁（Ａ）１０の開度を増、制御弁（Ｂ）１１の開度を減として、機関の運転状態に応じて脱硝装置２を通る排気ガス温度の過昇を防止しながら負荷の増大をなさしめる。
【００３５】
即ち、弁調整装置４は２つの制御弁（Ａ）１０及び（Ｂ）１１の開度を、機関の運転状態を検出しながら調整して、脱硝装置を流れる排気ガスの温度を過大となることなく、かつ高温触媒が充分に作動する排気ガス温度を保持することができる。
【００３６】
なお、前記機関の運転状態の検出要因としては、機関回転数か掃気圧力を用いることもできる。
【００３７】
なお、前記制御弁（Ｂ）１１を省略してバイパス管路３を、制御弁（Ａ）１０により開閉するようにすることも可能である。この場合は、始動時及びそれ以後の立ち上がり時に制御弁（Ａ）を全開とすれば、排気ガスがバイパス管３及び高温脱硝装置２の双方を流れて過給機５に入るが、バイパス管３を流れる排気ガスが時間遅れを生ずることなく、過給機５に送られる。
【００３８】
【発明の効果】
以上の記載のごとく、本発明によれば、機関の始動時及びそれ以後の立ち上がり時のように負荷変動の大きい運転時には制御弁を開き、排気ガスをバイパス管路を通して直接過給機に導くことにより、迅速な加速と応答性の良好な運転がなされるとともに、脱硝触媒のウォームアップも充分になすことができる。
【００３９】
また一定負荷以上の高負荷運転時においては高温の排気ガスのほぼ全量を充分にウォームアップされた脱硝触媒を通すことにより、高い脱硝率で以って排気ガス中のＮＯX の低減をなすことができるとともに、２つの制御弁の開度を調整して脱硝触媒を流れる排気ガスの温度を適温に制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る脱硝装置付きディーゼル機関の系統図である。
【図２】上記実施形態における機関の性能曲線である。
【図３】従来の脱硝装置付きディーゼル機関の３つの例を示す系統図である。
【符号の説明】
１        ディーゼル機関
２        高温脱硝装置
３        バイパス管
４        弁調整装置
５        排気ターボ過給機
６        排気通路
７        給気通路
１０      制御弁（Ａ）
１１      制御弁（Ｂ）
【図１】
0003735169.tif 000002
【図２】
0003735169.tif 000003
【図３】
0003735169.tif 000004