专利名称：往复式内燃机的废气净化方法和废气净化系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及例如船用柴油机等往复式内燃机所适用的废气净化方法和废气净化系统。
背景技术：
柴油机由 于比汽油机在燃料消耗费上有优势，所以在运输业界等被船舶用、机动车用等广泛使用。但废气中所包含的未燃烧燃料等粒子状物质(PM :Paticulate Matter) 和作为氮氧化物所知道的NOx (NO、NO2)等成为问题。于是，作为从排气把该NOx除去的手段，知道有利用把尿素水水解得到氨气而使废气中所包含的NOx在催化剂上还原除去的方法。周知的是该方法作为SCR (Selective Catalytic Reduction :选择性还原催化剂)系统。专利文献I (特开2009-209896号公报)公开了该SCR系统。该SCR系统在排气路径中的前段侧把柴油机废气中的PM和气体状的碳氢化合物成分除去后，在设置在后段侧的SCR催化剂上使氨气与NOx反应，把NOx还原而得到氮和水。由于氨气具有毒性，所以处理并不容易，为此而需要设定双重配管，或者为了防止氨的蒸发而把配管和容器保持在低温。因此，把尿素水溶液(CO (NH2)2 ^aq)向废气喷雾成雾状以利用废气的热来把尿素水溶液气化，并把该尿素水溶液水解来得到氨气。由于能够向大气释放的氨气浓度被规定有非常严格的标准，所以为了相对废气中的NOx的氨气量是当量以下，就需要调整尿素水溶液的供给量，以使还原反应后不残留有氨。往复式低速船用柴油机在排气路径设置有增压器的排气路径的情况下，由于后述的理由而把SCR催化剂配置在增压器排气路径的下游侧。把该结构表示在图6和图7。图6和图7中，两冲程往复式船用柴油机100由多个气缸102、换气室114和排气集合管116构成。在气缸102的下部设置有曲轴室104，在曲轴室104内设置曲轴108。被设置在气缸102内部的活塞106经由活塞杆110而与曲轴108连接。在各气缸102的上部设置有气缸头12a，各气缸头12a经由排气支管118而与排气集合管116连接。在气缸头12a的出口设置有排气阀112。被增压器120的压缩机122压缩的被压缩空气a经由换气管126和换气室114而向气缸102供给。被从气缸102排出的废气则经由排气支管118而向排气集合管116排出。 从排气集合管116向排气管128排出的废气在驱动增压器120的透平124后，被向排气管 130排出。向排气管130排气的废气则到达内置有SCR催化剂的SCR催化剂转化器132。向排气管130喷雾尿素水溶液b或氨水溶液C，使尿素水溶液b被废气的温度蒸发并水解而变成氨气。接着，在被SCR催化剂转化器132所内置的SCR催化剂上使氨气与废气中的NOx 反应，把NOx还原成氮和水蒸气。被这样除去了 NOx的废气经由排气管134而从烟筒136排出。图中的数值表示沿排气管128或130流动的废气的温度。
现有技术文献专利文献专利文献I :日本特开2009-209896号公报
发明内容
发明所要解决的问题在把SCR催化剂转化器132配置在增压器120下游侧的排气管130的情况下，排气温度降低到250°C左右，没有达到SCR催化剂能够发挥其催化剂功能的温度即320°C左右。 因此，SCR催化剂不能发挥其催化剂功能。特别是与具有毒性的氨相比而使用比较容易处理的尿素水的情况下，从尿素水变换成氨的化学反应则需要更高的温度(350°C以上)。为了满足该温度条件，有时有设置助燃 喷嘴等追加的加热设备来对废气加热的方法，但该方法导致往复式内燃机的总燃料消耗费恶化。因此，考虑有把SCR催化剂转化器132设置在透平124上游侧的排气管128的方案。但该方案虽然满足了排气温度的条件，但由于热容量大的SCR催化剂夺去了应该向透平124供给的热量，所以担心船用柴油机100的过度特性的恶化。即使由供给尿素水和SCR催化剂构成的组合位于增压器的上游侧或下游侧的任一处，也各自都有上述的问题。本发明鉴于该现有技术的课题，目的在于利用SCR系统要把具备增压器的内燃机废气中的NOx除去的情况下，能够不使内燃机有过度特性恶化地把废气中的NOx除去。解决问题的技术方案为了达到该目的，本发明往复式内燃机的废气净化方法向设置有增压器的往复式内燃机的排气路径供给还原剂，利用还原催化剂使该还原剂与排气中的NOx反应而把NOx除去，其中包括有尿素分解步骤，其向往复式内燃机与增压器之间的排气路径供给尿素水溶液，利用废气的潜势热来把尿素水溶液水解成氨气；混合步骤，其把所述氨气向在该增压器的透平内形成的废气紊流场导入并与废气均勻混合；还原步骤，其在该透平下游侧的排气路径并且在还原催化剂的存在下，利用氨气还原并除去废气中的NOx。本发明的方法向往复式内燃机与增压器之间的排气路径供给尿素水溶液，并在尿素水溶液直至到达增压器的透平为止，利用废气的潜势热来使尿素水溶液蒸发并水解成氨气。接着，把生成的氨气在透平内形成的强紊流场与废气均匀混合，以该状态并且在还原催化剂的存在下，使氨气与排气中的NOx反应而使NOx还原。通过这样把尿素水溶液供给部配置在增压器的上游侧，能够把尿素水溶液向更高温的废气中喷雾，能够高效率地生成氨气。由于被气化的氨气向透平进入并在透平内的强紊流场中暴露且进入SCR催化剂，所以更能够促进废气与氨气的混合。这时，为了使喷雾的尿素水在到达增压器之前被气化，设定尿素水供给位置是更有效的。由于把热容量大的SCR催化剂配置在增压器的下游侧，所以与把尿素水溶液供给部和SCR催化剂都配置在增压器上游侧的情况相比，能够抑制往复式内燃机的过度特性恶化。其结果是，不必追加与内燃机燃料消耗费恶化相关联的助燃喷嘴等加热设备，就能够充分确保废气净化性能。本发明的方法中，检测还原步骤后废气中的氨浓度，根据该检测值来调整尿素水溶液的供给量以降低废气中残留的氨浓度为好。由此，能够降低废气中残留的氨浓度，能够把具有毒性的氨向外部的排放量减少到极微量。本发明的方法中，检测往复式内燃机的运转状态，根据该检测值来把尿素水溶液的供给量调整成预先设定的量，以降低废气中NOx的浓度和残留的氨浓度为好。通过这样依据往复式内燃机的运转状态来调整尿素水溶液的供给量，则即使往复式内燃机的运转状态有变化，也能够向NOx的还原反应供给足够的尿素，且能够降低废气中残留的氨浓度。作为表示往复式内燃机运转状态的状态量，例如有往复式内燃机的转速、输出和废气温度。能够从该转速和输出来求废气量。通过对于根据从这些状态量求出的废气量和废气温度，作为预先设定的尿素水溶液供给量，能够同时减少NOx量和残留氨量。
对于实施本发明方法而能够直接使用的本发明往复式内燃机的废气净化系统在设置有增压器的往复式内燃机的排气路径设置有还原剂供给部和还原部，该还原部，其设置在该还原剂供给部的下游侧，利用还原催化剂来使废气与还原剂反应以减少NOx，其中， 具备有尿素水溶液供给部，其被设置在往复式内燃机与增压器之间的排气路径而把尿素水溶液向废气中供给；尿素分解区域，其被设置在该尿素水溶液供给部与增压器之间的排气路径，在向排气路径供给的尿素水溶液直至到达增压器为止，利用废气的热来使尿素水溶液蒸发以水解成氨气；还原部，其被设置在增压器下游侧的排气路径，在还原催化剂的存在下，利用氨气把废气的NOx还原并除去。本发明的系统中，把尿素水溶液供给部设置在往复式内燃机与增压器之间的废气温度高的排气路径，利用高温的废气来使尿素水溶液蒸发，并水解成氨气。接着，使生成的氨气在增压器的透平的强紊流场与废气均匀混合，以该状态并且在还原催化剂的存在下， 使氨气与排气中的NOx反应而使NOx还原。通过这样把尿素水溶液供给部配置在增压器的上游侧，能够把尿素水溶液向更高温的废气中喷雾，能够高效率地生成氨气。由于被气化的氨气向透平进入并在透平内的强紊流场暴露且进入SCR催化剂，所以更能够促进废气与氨气的混合。由于把热容量大的SCR催化剂配置在增压器的下游侧，所以能够抑制往复式内燃机的过度特性恶化。其结果是，不必追加与内燃机燃料消耗费恶化相关联的助燃喷嘴等加热设备，就能够充分确保废气净化性能。本发明的系统中，把尿素水溶液供给部设置在与往复式内燃机和排气集合管连接的排气支管上，而且设置有检测往复式内燃机的曲轴相位的相位检测传感器，与往复式内燃机的排气阀打开时间一致地来把尿素水溶液向排气支管供给为好。由此，由于与把废气向排气路径排出的时间一致地来把还原剂水溶液向排气路径供给，所以使尿素水溶液没有浪费地有效产生氨气与NOx的还原反应，能够减少废气中的 NOx浓度。本发明的系统中，为了在尿素水溶液供给部把尿素水溶液向废气中喷雾，以把尿素水溶液供给部的位置设定在被喷雾的尿素水溶液到达增压器之前能够被气化的位置为好。由此，在尿素水溶液直至到达增压器为止，就能够从尿素水溶液有效地产生氨气。因此， 不需要助燃喷嘴等追加的加热设备，能够抑制内燃机的燃料消耗费恶化。根据本发明的方法，向设置有增压器的往复式内燃机的排气路径供给还原剂，利用还原催化剂使该还原剂与排气中的NOx反应而把NOx除去，其中包括有尿素分解步骤，其向往复式内燃机与增压器之间的排气路径供给尿素水溶液，利用废气的潜势热来把尿素水溶液水解成氨气；混合步骤，其把氨气向在该增压器的透平内形成的废气紊流场导入并与废气均匀混合；还原步骤，其在该透平下游侧的排气路径并且在还原催化剂的存在下，利用氨气还原并除去废气中的N0X，因此，能够把尿素水溶液在高温的废气中高效率地变换成氨气，而且由于在使被气化的氨气与排气在透平内强紊流场均匀混合的状态下能够导入SCR 催化剂，所以利用SCR催化剂能够促进NOx的还原反应，由此，能够提高减少NOx的效果。由于把热容量大的SCR催化剂配置在增压器的下游侧，所以能够抑制往复式内燃机的过度特性恶化。其结果是，不必追加与内燃机燃料消耗费恶化相关联的助燃喷嘴等加热设备，就能够充分确保废气净化性能。根据本发明的系统，在设置有增压器的往复式内燃机的排气路径设置有还原剂供给部和还原部，该还原部设置在该还原剂供给部的下游侧并且利用还原催化剂来使废气与还原剂反应以减少NOx，其中，具 备有尿素水溶液供给部，其被设置在往复式内燃机与增压器之间的排气路径而把尿素水溶液向废气中供给；尿素分解区域，其被设置在该尿素水溶液供给部与增压器之间的排气路径，在向排气路径供给的尿素水溶液直至到达增压器为止，利用废气的潜势热来使尿素水溶液水解成氨气；还原部，其被设置在增压器下游侧的排气路径，在还原催化剂的存在下利用氨气把废气的NOx还原并除去，由此，能够得到与上述本发明方法同样的作用效果。
图I是表示本发明方法和装置的第一实施例往复式船用柴油机的废气处理装置的系统图；图2是上述第一实施例往复式船用柴油机的主视说明图；图3是表示本发明方法和装置的第二实施例往复式船用柴油机的废气处理装置的系统图；图4是表示本发明方法和装置的第三实施例往复式船用柴油机的废气处理装置的系统图；图5是上述第三实施例控制装置的方块线图；图6是表示往复式船用柴油机的现有废气处理装置的系统图；图7是图6往复式船用柴油机的主视说明图。
具体实施例方式以下使用图示的实施例来详细说明本发明。但本实施例所记载的结构零件的尺寸、材质、形状及其相对配置等只要没有特别地特定记载，则意味着不是把本发明的范围仅限定于此。(实施例I)
按照图I和图2来说明把本发明方法和本发明系统应用在两冲程往复式船用柴油机的第一实施例。图I和图2中，两冲程的往复式船用柴油机10具有多个气缸12、换气室 24和排气集合管26。在气缸12的下部设置有曲轴室14，在曲轴室14内设置曲轴18。被设置在气缸12内部的活塞16经由活塞杆20而与曲轴18连接。在各气缸12的上部设置有气缸头12a，各气缸头12a经由排气支管28而与排气集合管26连接。在气缸头12a的出口设置有排气阀22。被增压器30的压缩机32压缩的被压缩空气a经由换气管36和换气室14而向气缸12供给。被从气缸12排出的废气则经由排气支管28而向排气集合管26排出。从排气集合管26向排气管38排出的废气在使增压器30的透平34动作后，被向排气管44排出。 向排气管44排出的废气则到达内置有SCR催化剂的SCR催化剂转化器46。在排气管38设置有尿素水溶液供给部42,尿素水溶液供给部42经由配管41而与尿素水溶液罐40连接。通过图示省略的泵等而把尿素水溶液b从尿素水溶液罐40向尿素水溶液供给部42供给。在尿素水溶液供给部42把尿素水溶液b向排气管38内喷雾。图中的数值表示沿排气管38或44流动的废气的温度。尿素水溶液b利用在排气管38流动的废气的潜势热而被蒸发,并被水解成氨气。 排气管38具有足够的长度和内径，以利用废气的潜势热使尿素水溶液b蒸发并水解成氨气。生成的氨气向透平34流入。氨气被透平34内的强紊流场所搅拌而与废气均匀混合。 从透平34出来的氨气到达SCR催化剂转化器46，在内置于SCR催化剂转化器46的SCR催化剂上，与废气中的NOx反应，把NOx还原成氮和水蒸气。被这样除去了 NOx的废气经由排气管48而从烟筒50向外部排出。
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根据本实施例，由于把尿素水溶液b向排气管38供给，利用在排气管38流动的废气的高潜势热而被蒸发，并被水解成氨气，且使生成的氨气在透平34的强紊流场与废气搅拌混合，因此，能够促进在SCR催化剂转化器46的氨气与NOx的还原反应。通过这样仅把尿素水溶液供给部42配置在废气潜势热高的增压器30上游侧的排气管38，能够把尿素水溶液b向更高温的废气中喷雾，能够在尿素水溶液b直至到达增压器30为止，使尿素水溶液b高效率地变换成氨气。由于被气化的氨气进入透平34并暴露在透平34内的强紊流场且向SCR催化剂转化器46进入，所以能够更促进废气与氨气的混合，能够降低NO5^A浓度。由于把热容量大的SCR催化剂转化器46配置在增压器30的下游侧，所以能够抑制往复式船用柴油机10的过度特性恶化。这些结果是，不必追加与往复式船用柴油机10 燃料消耗费恶化相关联的助燃喷嘴等加热设备，就能够充分确保废气净化性能。(实施例2)接着，通过图3来说明本发明方法和本发明系统的第二实施例。图3中在多个排气支管28的各个设置有多个尿素水溶液供给部54。把尿素水溶液b从尿素水溶液供给装置52经由配管56向各尿素水溶液供给部54供给。在向曲轴室14的外部突出的曲轴18安装有稳定器58。在曲轴18的近旁设置有曲轴相位传感器62，通过由曲轴相位传感器62检测安装在稳定器58的检测标记(图示省略)来检测曲轴18的相位。把曲轴相位传感器62的相位检测信号向控制器60发送，控制器60则根据该相位检测信号来向尿素水溶液供给装置52发送控制信号。利用该控制信号，使与设置在气缸头 12a的排气阀22打开时间一致地把尿素水溶液b向尿素水溶液供给部54供给。 在本实施例中，上述以外的结构与上述第一实施例相同，对于相同的部位或机器则付与相同的符号。根据本实施例，由于把尿素水溶液b向比排气管38废气温度高的排气支管26供给，所以容易使尿素水溶液b蒸发并水解成氨气。由于从被供给尿素水溶液b的排气支管28到透平34的距离长，所以能够促进废气与尿素水溶液b的混合，能够有效地产生氨气。因此，能够促进在SCR催化剂转化器46 的NOx的还原反应，能够提高废气中减少NOx的效果。由于与排气阀22的打开时间一致地把尿素水溶液b向排气支管26供给，所以能够不浪费尿素水溶液地使氨气与NOx有效地产生还原反应，能够降低废气中NOx的浓度。(实施例3)接着，通过图4和图5来说明本发明方法和本发明系统的第三实施例。图4中的本实施例在把尿素水溶液供给部54设置在排气支管28这一点上，与上述第二实施例相同。 与第二实施例不同的点是代替曲轴相位传感器62而设置有检测曲轴18转速的转速传感器 72。且设置有检测在各排气支管28流动的废气温度的排气温度传感器74，并在SCR催化剂转化器46下游侧的排气路径48安装有氨浓度传感器76。其他结构则与第二实施例相同。本实施例中，作为运转中的往复式船用柴油机10的运转状态量，而由转速传感器 72检测曲轴18的转速，而且由排气温度传感器74来检测在各排气支管28流动的废气温度，把这些检测信号向控制器70发送。如图5所示，预先制作表示SCR催化剂转化器46的出口氨计量值与所必要的尿素水溶液供给量关系的相关图、表示往复式船用柴油机10的曲轴转速与输出关系和相对这些值的所必要的尿素水溶液供给量关系的相关图、表示废气温度与所必要的尿素水溶液供给量关系的相关图，并存储在控制器70。控制器70以转速传感器72的检测值为基础并根据已知的曲轴转速与往复式船用柴油机10输出的相关关系来求往复式船用柴油机10的输出。对于往复式船用柴油机10的输出和废气温度等的运转状态则预先从所述相关图来求出尿素水溶液的必要供给量，并根据这些相关图来设定尿素水溶液的供给量，由控制器70来控制尿素水溶液供给装置52以使成为该设定值。利用氨浓度传感器76检测残留的氨浓度，并根据所述相关图而由控制器70来控制尿素水溶液供给装置52以降低残留的氨浓度。根据本实施例，由于在第二实施例得到的作用效果的基础上再加上能够供给与当时往复式船用柴油机10的运转状态一致地预先设定的最佳尿素水溶液，所以能够促进废气中的NOx的还原反应，能够减少残留的NOx量。由于为了降低SCR催化剂转化器46下游侧的残留氨浓度而由控制器70来控制尿素水溶液的供给量，所以能够把向外部释放的残留氨浓度也减少到极微量。上述实施例都是把本发明应用往复式船用柴油机，但本发明的应用范围并不限定于船用柴油机，固定式发电用、车辆用等其他往复式柴油机也能够适用。产业上利用的可能性
根据本发明，把增压器设置在排气路径的往复式内燃机中，不降低增压器性能地使用SCR系统就能够高效率地把废气中的NOx除 去。
权利要求
1.一种往复式内燃机的废气净化方法，向设置有增压器的往复式内燃机的排气路径供给还原剂，利用还原催化剂使该还原剂与排气中的NOx反应而把NOx除去，其特征在于，包括有 尿素分解步骤，其向所述往复式内燃机与增压器之间的排气路径供给尿素水溶液，利用废气的潜势热来把尿素水溶液水解成氨气； 混合步骤，其把所述氨气向在该增压器的透平内形成的废气紊流场导入并与废气均匀混合； 还原步骤，其在该透平下游侧的排气路径并且在还原催化剂的存在下，利用氨气还原并除去废气中的NOx。
2.如权利要求I所述的往复式内燃机的废气净化方法，其特征在于，检测所述还原步骤后废气中的氨浓度，根据该检测值来调整尿素水溶液的供给量以降低废气中残留的氨浓度。
3.如权利要求I或2所述的往复式内燃机的废气净化方法，其特征在于，检测往复式内燃机的运转状态量，根据该检测值来把尿素水溶液的供给量调整成按照该运转状态量而预先设定的供给量，以降低废气中NOx的浓度和残留的氨浓度。
4.一种往复式内燃机的废气净化系统，在设置有增压器的往复式内燃机的排气路径设置有还原剂供给部和还原部，该还原部设置在该还原剂供给部的下游侧并且利用还原催化剂来使废气与还原剂反应以减少NOx，其特征在于，具备有 尿素水溶液供给部，其被设置在往复式内燃机与增压器之间的排气路径而把尿素水溶液向废气中供给； 尿素分解区域，其被设置在该尿素水溶液供给部与增压器之间的排气路径，在向排气路径供给的尿素水溶液直至到达增压器为止，利用废气的潜势热来使尿素水溶液水解成氨气; 还原部，其被设置在增压器下游侧的排气路径，在还原催化剂的存在下利用氨气把废气的NOx还原并除去。
5.如权利要求4所述的往复式内燃机的废气净化系统，其特征在于，把所述尿素水溶液供给部设置在与往复式内燃机和排气集合管连接的排气支管上，而且设置有检测往复式内燃机的曲轴相位的相位检测传感器， 与往复式内燃机的排气阀打开时间一致地来把尿素水溶液向排气支管供给。
6.如权利要求4或5所述的往复式内燃机的废气净化系统，其特征在于，为了在所述尿素水溶液供给部把尿素水溶液向废气中喷雾，把尿素水溶液供给部的位置设定在被喷雾的尿素水溶液到达增压器之前能够被气化的位置。
全文摘要
一种往复式内燃机的废气净化方法和废气净化系统。目的在于利用SCR系统要把具备增压器的往复式内燃机废气中的NOX除去的情况下，能够抑制往复式内燃机的过度特性恶化并且把废气中的NOX除去。在把增压器(30)设置在排气管(38、44、48)的往复式船用柴油机(10)中，在透平(34)上游侧的排气管(38)设置尿素水溶液供给部(42)，并从尿素水溶液罐(40)供给尿素水溶液b。利用废气的潜势热来使尿素水溶液b蒸发并水解成氨气。使氨气在透平(34)的强紊流场与废气均匀混合。然后，使废气在设置于增压器(30)下游侧排气管(44)的SCR催化剂转化器(46)中，由氨气使废气中的NOX还原，被变成氨和水蒸气。由于把尿素水溶液b向透平(34)上游侧的排气管(38)供给，所以能够不需要助燃喷嘴等追加的加热设备而产生氨气。
文档编号F01N3/28GK102695855SQ201080048348
公开日2012年9月26日 申请日期2010年10月5日 优先权日2009年12月16日
发明者石田裕幸, 长船信之介 申请人:三菱重工业株式会社