JP7530862B2 - 排気処理装置、エンジンシステムおよび排気処理方法 - Google Patents

排気処理装置、エンジンシステムおよび排気処理方法 Download PDF

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Description

本発明は、排気を処理する技術に関する。
従来、液化天然ガス（ＬＮＧ：liquefied natural gas）を運搬するＬＮＧ運搬船では、貨物であるＬＮＧから不可避的に発生するＢＯＧ（boil off gas）を燃料ガスとして使用している。また、近年、ＬＮＧ運搬船以外であってもＬＮＧを燃料ガスとして使用する船舶が増加している。
このようなＬＮＧを燃料ガスとして使用する船舶では、エンジンにおける燃料ガスの燃焼温度が低い場合等、燃料ガス中のメタン（ＣＨ４）の一部が未燃焼の状態で排気中に残り、排気と共に大気中に放出されるおそれがある。メタンは、温暖化効果が比較的高いため、排気中のメタンを触媒等によって処理して大気中への放出を防止することが求められている。例えば、特許文献１の排ガス浄化装置では、ガスエンジンの排気中に含まれる炭化水素および一酸化炭素を酸化させる触媒が利用されている。
特開２０１８－１３５８０８号公報
ところで、特許文献１の触媒のメタン酸化可能温度は、３５０℃以上かつ５００℃未満である。したがって、排ガス浄化装置に導入される排気温度が３５０℃未満の場合、排気中のメタンを好適に酸化させることが難しい。
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、排気温度が低い場合であっても排気中のメタンを好適に酸化することを目的としている。
請求項１に記載の発明は、排気処理装置であって、メタンを含むガスを燃料として用いるエンジンの排気が導入される処理筐体と、前記処理筐体に収容され、前記排気に含まれる未燃焼のメタンを酸化させる触媒部とを備える。前記処理筐体に導入される前記排気の温度である導入排気温度が１５０℃～３５０℃である場合、前記エンジンのチューニング状態が、前記排気に含まれる一酸化炭素の濃度が定常運転時よりも高い０．０４体積％以上かつ２．５体積％以下となり、かつ、前記排気に含まれるメタンの濃度が定常運転時と同じく０．５体積％以上かつ１．５体積％以下となるように、所定のチューニング状態とされ、前記触媒部は、前記排気に含まれる一酸化炭素を酸化させて、一酸化炭素の酸化反応熱を利用してメタンの酸化開始温度よりも高い常用温度以上まで昇温する。
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の排気処理装置であって、前記所定のチューニング状態は、第１チューニング状態および第２チューニング状態を含む。前記触媒部の温度が前記常用温度未満かつメタンの酸化開始温度以上の温度である第１切替温度未満である場合、前記エンジンのチューニング状態は、前記排気に含まれる一酸化炭素の濃度が前記定常運転時よりも高い前記第１チューニング状態とされ、前記触媒部の温度が前記第１切替温度まで昇温すると、前記エンジンのチューニング状態が、前記排気に含まれる一酸化炭素の濃度が前記定常運転時よりも高く、かつ、前記第１チューニング状態よりも低い前記第２チューニング状態とされる。
請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の排気処理装置であって、前記導入排気温度を測定する導入温度センサをさらに備える。
請求項４に記載の発明は、請求項１ないし３のいずれか１つに記載の排気処理装置であって、前記処理筐体は、前記排気の流れ方向において、前記排気により回転するタービンよりも上流側に配置される。
請求項５に記載の発明は、請求項１ないし３のいずれか１つに記載の排気処理装置であって、前記処理筐体は、前記排気の流れ方向において、前記排気により回転するタービンよりも下流側に配置される。
請求項６に記載の発明は、エンジンシステムであって、メタンを含むガスを燃料として用いるエンジンと、前記エンジンの排気を処理する請求項１ないし５のいずれか１つに記載の排気処理装置とを備える。
請求項７に記載の発明は、請求項６に記載のエンジンシステムであって、前記エンジンは２ストロークエンジンである。
請求項８に記載の発明は、メタンを含むガスを燃料として用いるエンジンの排気中の未燃焼のメタンを酸化させる排気処理方法であって、ａ）１５０℃～３５０℃の排気を触媒部に供給する工程と、ｂ）前記排気に含まれる一酸化炭素を前記触媒部において酸化させて、一酸化炭素の酸化反応熱を利用して前記触媒部をメタンの酸化開始温度よりも高い常用温度以上まで昇温させる工程と、ｃ）前記ｂ）工程よりも後に、前記常用温度以上の前記触媒部により前記排気中のメタンを酸化させる工程とを備える。前記ａ）工程において、前記エンジンのチューニング状態が、前記排気に含まれる一酸化炭素の濃度が定常運転時よりも高い０．０４体積％以上かつ２．５体積％以下となり、かつ、前記排気に含まれるメタンの濃度が定常運転時と同じく０．５体積％以上かつ１．５体積％以下となるように、所定のチューニング状態とされる。
本発明では、排気温度が低い場合であっても排気中のメタンを好適に酸化する。
一の実施の形態に係るエンジンシステムの構成を示す図である。 排気の処理の流れを示す図である。 他のエンジンシステムの構成を示す図である。
図１は、本発明の一の実施の形態に係るエンジンシステム１０の構成を示す図である。エンジンシステム１０は、例えば、液化天然ガス（ＬＮＧ：liquefied natural gas）を運搬するＬＮＧ運搬船に搭載される。エンジンシステム１０は、例えば、ＬＮＧ運搬船の主機として使用される。
エンジンシステム１０は、エンジン１と、排気処理装置６とを備える。エンジン１は、メタン（ＣＨ４）を含むガスを燃料とするガスエンジンである。エンジン１は、例えば、２ストロークエンジンである。エンジン１は、例えば、燃焼方法がオットーサイクル、予混合燃焼、ディーゼルサイクルまたはサバテサイクル等の往復動内燃機関である。エンジン１は、例えば低圧エンジンである。エンジン１は、ＬＮＧ（Liquefied Natural Gas）のＢＯＧ（Boil Off Gas）を燃料として用いてもよい。ＢＯＧは、例えば、ＬＮＧ運搬船において貨物であるＬＮＧが気化することにより発生するガスであり、メタンを含む。
エンジン１は、シリンダ２と、ピストン３と、掃気流路４１と、排気流路４２と、空気冷却器４３と、過給機５と、エンジン制御部７と、煙道８１とを備える。シリンダ２は、図１中の上下方向に延びる中心軸を中心とする有蓋略円筒状の部材である。ピストン３は、当該中心軸を中心とする略円柱状の部材であり、その上部はシリンダ２の内部に配置される。ピストン３は、上下方向に移動可能である。なお、図１中の上下方向は、必ずしも重力方向に平行である必要はない。
シリンダ２は、シリンダライナ２１と、シリンダカバー２２と、排気弁２５とを備える。シリンダライナ２１は、上記中心軸を中心とする略円筒状の部材である。シリンダカバー２２は、シリンダライナ２１の上部に取り付けられる有蓋略円筒状の部材である。シリンダカバー２２の天蓋部には、排気ポート２４が形成される。排気ポート２４は、排気流路４２に接続される。排気ポート２４は、排気弁２５により開閉される。図１において実線にて示すように、排気弁２５が排気ポート２４から下方に離間することにより、排気ポート２４が開放される。また、図１において二点鎖線にて示すように、排気弁２５がシリンダカバー２２に接触して排気ポート２４に重なることにより、排気ポート２４が閉鎖される。シリンダライナ２１の下端部近傍には、掃気ポート２３が設けられる。掃気ポート２３は、シリンダライナ２１の側面に周状に配列して形成された多数の貫通孔の集合である。掃気ポート２３は、掃気流路４１に接続される。
ピストン３は、ピストンクラウン３１と、ピストンロッド３２とを備える。ピストンクラウン３１は、上記中心軸を中心とする厚い略円板状の部位である。ピストンクラウン３１は、シリンダライナ２１の内部に配置される。ピストンロッド３２は、ピストンクラウン３１の下面から下方に延びる略円柱状の部位である。ピストンロッド３２の下端部は、図示省略のクランク機構に接続される。当該クランク機構により、ピストン３が上下方向に往復移動する。図１では、当該往復移動の下死点に位置するピストン３を実線にて描き、上死点に位置するピストン３を二点鎖線にて描く。
エンジン１では、シリンダライナ２１、シリンダカバー２２、排気弁２５、および、ピストンクラウン３１の上面（すなわち、ピストン３の上面）によって囲まれる空間が、燃料および空気を燃焼するための燃焼室２０である。
燃焼室２０には、上述の掃気ポート２３を介して、掃気流路４１から掃気が供給される。掃気流路４１は、掃気室４１１と、掃気レシーバ４１２とを備える。掃気室４１１は、シリンダライナ２１の掃気ポート２３の周囲に設けられる空間（すなわち、掃気配管）である。掃気ポート２３は、掃気室４１１を介して掃気レシーバ４１２に連通する。掃気レシーバ４１２は、掃気室４１１へと掃気を供給する略円筒状の大型容器である。
燃焼室２０において燃料および空気の燃焼により生成されたガス（すなわち、燃焼ガス）は、排気ポート２４を介して排気流路４２へと排出される。排気流路４２は、燃焼室２０から排出されたガス（以下、「排気」という。）が流れる管路である。排気流路４２は、排気配管４２１と、排気レシーバ４２２とを備える。排気配管４２１は、排気ポート２４と排気レシーバ４２２とを接続する配管である。排気レシーバ４２２は、燃焼室２０からの排気を受ける略円筒状の大型容器である。
図示は省略するが、エンジン１では、複数組のシリンダ２およびピストン３が設けられており、複数の燃焼室２０が、１つの掃気レシーバ４１２、および、１つの排気レシーバ４２２に接続されている。すなわち、掃気レシーバ４１２は、複数の燃焼室２０に掃気を分配供給するための掃気マニホールドである。また、排気レシーバ４２２は、複数の燃焼室２０から排出された排気が集められる排気マニホールド（排気集合管とも言う。）である。
排気レシーバ４２２に集められた排気は、排気処理装置６により処理される。排気処理装置６では、燃焼室２０からの排気中に含まれている未燃焼（すなわち、未反応）のメタンが酸化され、二酸化炭素（ＣＯ２）および水（Ｈ２Ｏ）が生成される。これにより、エンジンシステム１０から大気中に排出される排気に含まれる未燃焼のメタンの濃度（以下、「スリップメタン濃度」とも呼ぶ。）が、所定の規定値以下とされる。排気処理装置６は、処理筐体６１と、触媒部６２と、触媒温度センサ６３と、導入温度センサ６４とを備える。
排気処理装置６では、燃焼室２０からの排気が処理筐体６１の内部空間に導入される。処理筐体６１は、例えば、略円筒状の反応容器である。処理筐体６１の内部空間には、触媒部６２が収容（すなわち、装填）されている。触媒部６２は、例えば、ハニカム構造を有する酸化触媒である。具体的には、触媒部６２は、ハニカム構造を有する担体に、触媒金属等の酸化触媒が担持された構造を有する。当該触媒金属は、例えば、パラジウム（Ｐｄ）や白金（Ｐｔ）等の貴金属を含む。排気処理装置６では、処理筐体６１内に導入された排気が触媒部６２を通過する際に、当該排気に含まれる未燃焼のメタンが触媒部６２により酸化する。また、触媒部６２は、当該排気に含まれる一酸化炭素（ＣＯ）も酸化させる。なお、処理筐体６１および触媒部６２の構造および形状は様々に変化されてよい。例えば、触媒部６２の担体は、円筒状や平板状等の他の形状を有していてもよい。
触媒温度センサ６３は、触媒部６２の温度を測定し、エンジン制御部７へと出力する。触媒温度センサ６３は、処理筐体６１の内部空間の温度を測定し、測定結果を触媒部６２の温度としてエンジン制御部７に出力してもよい。導入温度センサ６４は、処理筐体６１に導入される時点の排気の温度を測定し、エンジン制御部７へと出力する。導入温度センサ６４は、例えば、排気レシーバ４２２と処理筐体６１とを接続する配管において、処理筐体６１の導入口の直前に設けられる。触媒温度センサ６３および導入温度センサ６４としては、例えば、熱電対が利用可能である。
排気処理装置６では、所定の常用温度が設定されており、触媒部６２の温度が当該常用温度以上である場合、排気中のメタンの酸化が十分に行われ、スリップメタン濃度が上記規定値以下となる。当該常用温度は、例えば、スリップメタン濃度が当該規定値と等しくなるときの触媒部６２の温度であってもよく、当該温度に所定のマージン（例えば、１０℃～５０℃）を加えた温度であってもよい。常用温度は、例えば、排気処理装置６またはエンジンシステム１０を製造する製造者等により設定される。常用温度は、触媒部６２の種類等により様々に変化するが、触媒部６２への排気の供給流速が０．１ｍ／ｓｅｃ～３．０ｍ／ｓｅｃの条件下において、例えば４００℃である。なお、触媒部６２の温度が常用温度未満である場合、スリップメタン濃度は上記規定値を超過する可能性がある。
過給機５は、タービン５１と、コンプレッサ５２とを備えるターボチャージャである。過給機５では、排気を利用して吸気を加圧し、掃気が生成される。具体的には、燃焼室２０からの排気によりタービン５１が回転し、コンプレッサ５２は、タービン５１にて発生する回転力を利用して（すなわち、タービン５１の回転を動力として）、エンジン１の外部から吸気路８２を介して取り込んだ吸気（空気）を加圧して圧縮する。加圧された空気（すなわち、上述の掃気）は、空気冷却器４３にて冷却された後、掃気レシーバ４１２に供給され、掃気レシーバ４１２から燃焼室２０へと供給される。タービン５１の回転に利用された排気は、煙道８１へと導かれ、煙道８１からエンジン１の外部へと排出される。図１に示す例では、タービン５１は、煙道８１と排気処理装置６の処理筐体６１との間に配置される。換言すれば、処理筐体６１は、燃焼室２０から排出された排気の流れ方向において、当該排気により回転するタービン５１よりも上流側に配置される。タービン５１には、処理筐体６１内の触媒部６２により処理された後の排気が導入される。
エンジン制御部７は、排気処理装置６の触媒温度センサ６３からの出力（すなわち、触媒部６２の温度）に基づいて、エンジン１のチューニング状態を制御する。エンジン制御部７は、例えば、プログラマブルロジックコントローラ（ＰＬＣ：Programmable Logic Controller）である。当該ＰＬＣは、プロセッサと、メモリと、入出力部と、バスとを備える。バスは、プロセッサ、メモリおよび入出力部を接続する信号回路である。メモリは、プログラムおよび各種情報を記憶する。プロセッサは、メモリに記憶されるプログラム等に従って、メモリ等を利用しつつ様々な処理（例えば、数値演算等）を実行する。入出力部は、他の装置（例えば、排気処理装置６）からの信号入力や操作者からの入力を受け付け、また、他の装置への信号を出力する。当該ＰＬＣが所定のプログラムに基づいて処理を行うことにより、エンジン制御部７の機能が実現される。エンジン制御部７は、キーボードやディスプレイ等を備える一般的なコンピュータシステムであってもよく、あるいは、回路基板等であってもよい。
エンジンシステム１０では、エンジン１の始動時や低出力運転時等、燃焼室２０から排気処理装置６に送られる排気の温度が比較的低い場合がある。例えば、導入温度センサ６４からエンジン制御部７へと出力される温度（すなわち、処理筐体６１に導入される時点の排気の温度）が、上述の常用温度未満の場合がある。このように処理筐体６１に導入される排気の温度が比較的低温である場合、従来の排気処理装置では、触媒部６２によるメタンの酸化がほとんど進まず、当該酸化により生じる酸化反応熱も少ないため、触媒部６２の温度が上述の常用温度に達しない可能性がある。
図２は、本発明に係るエンジンシステム１０における排気の処理の流れを示す図である。エンジンシステム１０では、触媒温度センサ６３により触媒部６２の温度が測定されている状態で、燃焼室２０からの排気が触媒部６２に供給される（ステップＳ１１）。上述のように、処理筐体６１に導入される排気の温度（すなわち、触媒部６２に供給される排気の温度）が常用温度未満である場合、触媒部６２の温度も常用温度未満の可能性がある。エンジン１の始動時や低出力運転時等は、処理筐体６１に導入される時点の排気の温度（以下、「導入排気温度」とも呼ぶ。）は、例えば２５０℃未満であり、常用温度と導入排気温度との差（すなわち、常用温度から導入排気温度を減算した値）は、例えば９０℃以上である。導入排気温度は、触媒部６２による一酸化炭素の酸化開始温度（すなわち、一酸化炭素の酸化反応による発熱が開始する温度）以上である。導入排気温度は、例えば、１５０℃～３５０℃である。
触媒温度センサ６３からエンジン制御部７に送られる触媒部６２の温度が所定の第１切替温度未満である場合（ステップＳ１２）、エンジン制御部７によりエンジン１のチューニング状態が制御され、定常運転時のチューニング状態（以下、「基準チューニング状態」とも呼ぶ。）とは異なる第１チューニング状態とされる（ステップＳ１３）。具体的には、エンジン１のチューニング状態が基準チューニング状態、あるいは、第１チューニング状態以外のチューニング状態である場合、エンジン制御部７により当該チューニング状態が第１チューニング状態へと切り替えられる。また、エンジン１のチューニング状態が第１チューニング状態である場合、第１チューニング状態が維持される。上述の第１切替温度は、常用温度未満の温度であり、例えば、メタンの酸化開始温度（すなわち、メタンの酸化反応による発熱が開始する温度）以上の温度である。第１切替温度は、エンジンシステム１０の使用態様等に合わせて、予め適宜設定されている。
第１チューニング状態では、基準チューニング状態に比べて、燃焼室２０から排出される排気に含まれる一酸化炭素の濃度が高い。第１チューニング状態における排気中の一酸化炭素濃度は、例えば０．０５体積％以上であり、好ましくは０．５体積％以上である。第１チューニング状態における排気中の一酸化炭素濃度は、例えば５体積％以下であり、好ましくは４体積％以下であり、より好ましくは２．５体積％以下であり、さらに好ましくは１体積％以下である。本実施の形態では、第１チューニング状態における排気中の一酸化炭素濃度は、０．０５体積％以上かつ２．５体積％以下とされる。なお、上述の定常運転とは、エンジンシステム１０が搭載される船舶の通常運航において予定されている航行時の運転状態であり、基準チューニング状態は、エンジン１の定常運転時における燃費や環境負荷を略最適とするように設定されている。基準チューニング状態における排気中の一酸化炭素濃度は、例えば、０．００５体積％以上かつ０．０４体積％未満である。
また、基準チューニング状態における排気中のメタン濃度は、例えば、０．５体積％～１．５体積％である。第１チューニング状態における排気中のメタン濃度は、基準チューニング状態における排気中のメタン濃度と同じであってもよく、異なっていてもよい。本実施の形態では、第１チューニング状態における排気中のメタン濃度は、基準チューニング状態における排気中のメタン濃度と略同じであり、例えば、０．５体積％～１．５体積％である。排気中のメタン濃度が０．５体積％以上とされることにより、触媒部６２におけるメタンの酸化を効率良く行うことができる。また、排気中のメタン濃度が１．５体積％以下とされることにより、触媒部６２におけるメタンの酸化反応熱による触媒部６２の過剰な昇温を防止することができる。
エンジン１のチューニング状態の切り替えは、例えば、燃焼室２０内に供給される燃料の量、燃焼室２０に封入される空気量、および、燃焼室２０の最高圧力（燃焼最大圧力ともいう。）のうち１つ以上が変更されることにより実現される。具体的には、例えば、燃焼室２０内に供給される燃料の量（以下、「燃料供給量」とも呼ぶ。）を増大させると、燃焼室２０内の空気量が相対的に減少し、燃焼室２０から排出される排気中の一酸化炭素濃度が増大する。燃料供給量は、図示省略の燃料供給部における燃料供給ポンプの動作を制御すること等によって変更可能である。
また、例えば、燃焼室２０に封入される空気量（以下、「封入空気量」とも呼ぶ。）を減少させると、燃焼室２０から排出される排気中の一酸化炭素濃度が増大する。燃焼室２０の最高圧力を低くすることによっても、燃焼室２０から排出される排気中の一酸化炭素濃度が増大する。封入空気量および燃焼室２０の最高圧力は、ピストン３の下死点からの上昇時における排気弁２５の閉鎖タイミングを制御すること等によって変更可能である。具体的には、例えば、上述の排気弁２５の閉鎖タイミングを遅らせることにより、封入空気量が減少し、燃焼室２０の最高圧力が低くなる。
なお、エンジン１のチューニング状態の切り替えでは、上記以外の構成がエンジン制御部７によって制御されることにより、燃料供給量、封入空気量、および、燃焼室２０の最高圧力のうちいずれか１つ以上が変更されてもよい。あるいは、燃料供給量、封入空気量、および、燃焼室２０の最高圧力以外の要素が調節されることにより、エンジン１のチューニング状態が切り替えられてもよい。
触媒部６２による一酸化炭素の酸化開始温度は、常用温度および触媒部６２によるメタンの酸化開始温度よりも低く、触媒部６２に供給される排気の温度（すなわち、導入排気温度）以下である。したがって、当該排気中の一酸化炭素は、触媒部６２により酸化される。触媒部６２は、一酸化炭素の酸化反応熱により昇温する（ステップＳ１４）。なお、触媒部６２による一酸化炭素の酸化開始温度は、触媒部６２の種類等により様々に変化するが、触媒部６２への排気の供給流速が０．１ｍ／ｓｅｃ～３．０ｍ／ｓｅｃの条件下において、例えば２００℃である。
エンジンシステム１０では、上述のように、エンジン１のチューニング状態が第１チューニング状態とされ、排気中の一酸化炭素濃度が増大されているため、触媒部６２により酸化される一酸化炭素の酸化反応熱量も多い。したがって、触媒部６２が速やかに昇温されて、上述のメタンの酸化開始温度に到達する。
触媒部６２がメタンの酸化開始温度まで昇温すると、触媒部６２による排気中のメタンの酸化が実質的に開始される。触媒部６２は、一酸化炭素の酸化反応熱およびメタンの酸化反応熱により、上述の常用温度以上の温度まで昇温する。そして、当該常用温度以上の触媒部６２により、排気中の一酸化炭素およびメタンの酸化が継続的に行われる。
排気処理装置６では、触媒温度センサ６３による触媒部６２の温度測定が継続的に行われており、触媒温度センサ６３からエンジン制御部７に送られる触媒部６２の温度が第１切替温度に到達すると（ステップＳ１２）、エンジン制御部７によりエンジン１のチューニング状態が制御され、第１チューニング状態から第２チューニング状態へと切り替えられる（ステップＳ１５）。なお、低出力運転時等であっても、触媒温度センサ６３からエンジン制御部７に送られる触媒部６２の温度が、最初から第１切替温度以上かつ常用温度未満である場合（ステップＳ１２）等、エンジン１のチューニング状態は、第１チューニング状態を経ずに、第２チューニング状態とされてもよい（ステップＳ１５）。
第２チューニング状態では、第１チューニング状態に比べて、燃焼室２０から排出される排気に含まれる一酸化炭素の濃度が低い。また、第２チューニング状態における排気中の一酸化炭素濃度は、基準チューニング状態における排気中の一酸化炭素濃度よりも高い。第２チューニング状態における排気中の一酸化炭素濃度は、例えば０．０４体積％以上であり、好ましくは０．４体積％以上である。第２チューニング状態における排気中の一酸化炭素濃度は、例えば４体積％以下であり、好ましくは２体積％以下であり、より好ましくは０．７５体積％以下である。本実施の形態では、第２チューニング状態における排気中の一酸化炭素濃度は、０．０４体積％以上かつ２体積％以下とされる。すなわち、本実施の形態では、第１チューニング状態および第２チューニング状態における排気中の一酸化炭素濃度は、０．０４体積％以上かつ２．５体積％以下である。なお、第１チューニング状態および第２チューニング状態における排気中の一酸化炭素濃度は、上記範囲には限定されず、様々に変更されてよい。第２チューニング状態における排気中のメタン濃度は、基準チューニング状態における排気中のメタン濃度と同じであってもよく、異なっていてもよい。本実施の形態では、第２チューニング状態における排気中のメタン濃度は、基準チューニング状態における排気中のメタン濃度と略同じであり、例えば、０．５体積％～１．５体積％である。
上述のように、第２チューニング状態では、排気中の一酸化炭素濃度は第１チューニング状態よりも減少し、触媒部６２における一酸化炭素の酸化反応熱量も減少する。一方、昇温された触媒部６２では、一酸化炭素に加えてメタンの酸化も生じている。メタンの単位物質量あたりの酸化反応熱量（すなわち、燃焼熱）は、一酸化炭素の単位物質量あたりの酸化反応熱量よりも多いため、触媒部６２の温度は、一酸化炭素の酸化反応熱およびメタンの酸化反応熱により、第１切替温度以上に昇温し、常用温度以上の所定の第２切替温度まで昇温する（ステップＳ１６，Ｓ１７）。第２切替温度も、第１切替温度と同様に、エンジンシステム１０の使用態様等に合わせて、予め適宜設定されている。
そして、触媒部６２の温度が第２切替温度に到達すると（ステップＳ１６）、エンジン制御部７によりエンジン１のチューニング状態が制御され、第２チューニング状態から基準チューニング状態に切り替えられる（ステップＳ１８）。排気処理装置６では、触媒部６２の温度が常用温度以上に昇温されているため、基準チューニング状態においても、燃焼室２０から排出される排気中のメタンを、触媒部６２により好適に酸化することができる。その結果、エンジンシステム１０から大気中へのメタンの放出（すなわち、メタンスリップ）を抑制することができる。なお、触媒温度センサ６３からエンジン制御部７に送られる触媒部６２の温度が、最初から第２切替温度以上である場合、エンジン１のチューニング状態は、図２に示すものとは異なり、第１チューニング状態および第２チューニング状態を経ずに、基準状態とされてもよい。
以上に説明したように、排気処理装置６は、処理筐体６１と、触媒部６２とを備える。処理筐体６１には、メタンを含むガスを燃料として用いるエンジン１の排気が導入される。触媒部６２は、処理筐体６１に収容されて、当該排気に含まれる未燃焼のメタンを酸化させる。触媒部６２の温度が、所定の常用温度未満である場合、触媒部６２は、当該排気に含まれる一酸化炭素を酸化させて一酸化炭素の酸化反応熱を利用して常用温度以上まで昇温する。これにより、触媒部６２に供給される排気の温度が常用温度未満の場合であっても、触媒部６２を常用温度以上まで速やかに昇温することができる。したがって、当該排気中のメタンを好適に酸化することができ、メタンスリップを好適に抑制することができる。その結果、スリップメタン濃度を上述の規定値以下とすることができる。
上述のように、触媒部６２の温度が常用温度未満である場合、エンジン１のチューニング状態が、排気に含まれる一酸化炭素の濃度が定常運転時よりも高い所定のチューニング状態（すなわち、第１チューニング状態および／または第２チューニング状態）とされることが好ましい。これにより、触媒部６２における一酸化炭素の酸化反応熱量を増大させ、触媒部６２の温度を上述の常用温度までさらに速やかに昇温させることができる。
上述のように、エンジン１のチューニング状態が上記所定のチューニング状態とされる場合、排気に含まれる一酸化炭素濃度は、０．０４体積％以上かつ２．５体積％以下であることが好ましい。当該一酸化炭素濃度を０．０４体積％以上とすることにより、触媒部６２における一酸化炭素の酸化反応熱量をさらに増大させ、触媒部６２の温度を上述の常用温度までより一層速やかに（例えば、触媒部６２への排気の供給開始から１２０分以内に）昇温させることができる。また、当該一酸化炭素濃度を２．５体積％以下とすることにより、高燃費の定常運転時と比較した際の上記チューニング状態（すなわち、第１チューニング状態および／または第２チューニング状態）における燃費悪化を抑制することができる。
上述のように、好ましくは、触媒部６２の温度が常用温度未満の第１切替温度未満である場合、エンジン１のチューニング状態は、排気に含まれる一酸化炭素の濃度が前記定常運転時（すなわち、基準チューニング状態）よりも高い第１チューニング状態とされる。また、好ましくは、触媒部６２の温度が当該第１切替温度まで昇温すると、エンジン１のチューニング状態が、排気に含まれる一酸化炭素の濃度が定常運転時よりも高く、かつ、第１チューニング状態よりも低い第２チューニング状態とされる。これにより、触媒部６２の温度が第１切替温度以上である状態において、触媒部６２における一酸化炭素の酸化反応熱量を低減させ、触媒部６２の過剰な昇温を防止することができる。また、エンジン１のチューニング状態が第１チューニング状態よりも基準チューニング状態に近づくため、定常運転時と比較した際の燃費悪化をさらに抑制することができる。その結果、運転開始時等のように排気温度が低い状態から定常運転時に至るまで、燃費悪化を抑制しつつメタンスリップを好適に抑制することができる。
上述のように、排気処理装置６は、触媒部６２に供給される排気の温度が常用温度よりも低い場合であっても、当該排気に含まれるメタンを好適に酸化することができる。したがって、排気処理装置６は、処理筐体６１に導入される排気の温度（すなわち、導入排気温度）が低く、触媒部６２が常用温度まで容易に昇温しない場合に特に適している。例えば、排気処理装置６は、処理筐体６１に導入される排気の温度と常用温度との差が９０℃以上である場合に特に適している。
上述のように、排気処理装置６は、処理筐体６１に導入される排気の温度（すなわち、導入排気温度）を測定する導入温度センサ６４をさらに備えることが好ましい。これにより、導入排気温度が低く上述のチューニング状態の切り替え等が必要な状態を容易に検出することができる。
上述のように、処理筐体６１は、排気の流れ方向において、排気により回転するタービン５１よりも上流側に配置されることが好ましい。これにより、タービン５１通過後に比べて高温の排気を処理筐体６１に導入することができる。その結果、触媒部６２を常用温度までさらに速やかに昇温することができ、触媒部６２によるメタンの酸化を効率良く行うことができる。
なお、処理筐体６１は、図３に示すように、排気の流れ方向において、排気により回転するタービン５１よりも下流側に配置されることも好ましい。これにより、タービン５１通過前に比べて低圧の排気を処理筐体６１に導入することができる。その結果、処理筐体６１の構造を簡素化することができる。また、排気処理装置６の設置の際にエンジン１の主要構造を変更する必要が無いため、既存の船舶に対して排気処理装置６を容易に後付けすることができる。さらに、排気処理装置６は、上述のように、触媒部６２に供給される排気の温度が低い場合であってもメタンを好適に酸化することができるため、タービン５１通過によって降温した排気中のメタンを好適に酸化することができる。なお、図３に示す例では、処理筐体６１は、煙道８１とタービン５１との間に配置され、タービン５１の回転に利用された排気が処理筐体６１に導入される。
図１および図３に示すエンジンシステム１０は、メタンを含むガスを燃料として用いるエンジン１と、エンジン１の排気を処理する上述の排気処理装置６と、を備える。これにより、排気の温度が低い場合であっても、エンジンシステム１０からのメタンスリップを抑制することができる。したがって、エンジンシステム１０は、排気温度が比較的低い２ストロークエンジンがエンジン１として用いられる場合に特に適している。また、エンジンシステム１０は、高圧２ストロークエンジンに比べてメタンスリップが多くなる傾向を有する低圧２ストロークエンジンがエンジン１として用いられる場合に特に適している。
上述の排気処理方法は、メタンを含むガスを燃料として用いるエンジン１の排気中の未燃焼のメタンを酸化させる方法である。当該排気処理方法は、所定の常用温度未満の排気を触媒部６２に供給する工程（ステップＳ１１）と、排気に含まれる一酸化炭素を触媒部６２において酸化させて、一酸化炭素の酸化反応熱を利用して触媒部６２を常用温度以上まで昇温させる工程（ステップＳ１４）と、ステップＳ１４よりも後に、常用温度以上の触媒部６２により排気中のメタンを酸化させる工程（ステップＳ１５）と、を備える。これにより、上記と同様に、触媒部６２に供給される排気の温度が常用温度よりも低い場合であっても、触媒部６２を常用温度まで速やかに昇温することができるため、当該排気に含まれるメタンを好適に酸化することができる。
上述の排気処理装置６、エンジンシステム１０および排気処理方法では、様々な変更が可能である。
例えば、処理筐体６１に導入される排気の温度と常用温度との差は、９０℃未満であってもよい。
また、燃焼室２０から排出される排気の温度が一酸化炭素の酸化開始温度未満である場合等、触媒部６２による一酸化炭素の酸化を促進するために、燃焼室２０から処理筐体６１へと送出された排気および／または触媒部６２が、ボイラ蒸気やヒータ等により加熱されてもよい。当該加熱は、例えば、触媒部６２の温度が一酸化炭素の酸化開始温度以上になるまで継続される。
排気処理装置６では、必ずしも、触媒温度センサ６３による温度測定結果に基づいてエンジン１のチューニング状態が切り替えられる必要はない。例えば、エンジン１の起動開始からの経過時間や出力（回転数）等の運転条件と、排気温度および触媒部６２の温度との関係を示すテーブル等が予め準備され、実際の運転条件および当該テーブル等から排気温度および触媒部６２の温度が推定されてもよい。この場合、触媒温度センサ６３は省略されてもよい。また、排気処理装置６では、導入温度センサ６４が省略されてもよい。
エンジン制御部７によるエンジン１のチューニング状態の制御は、上記例には限定されず、様々に変更されてよい。例えば、エンジン１のチューニング状態が第１チューニング状態から第２チューニング状態に切り替えられた後、何らかの原因で触媒部６２の温度が上述の第１切替温度未満に低下した場合、エンジン１のチューニング状態は、第２チューニング状態から第１チューニング状態に切り替えられてもよい。あるいは、エンジン１のチューニング状態は、第２チューニング状態から、排気中の一酸化炭素濃度が第１チューニング状態と第２チューニング状態との間になる第３チューニング状態に切り替えられてもよい。また、エンジン１のチューニング状態の制御では、第１チューニング状態から第２チューニング状態への切り替えは、必ずしも行われる必要はない。具体的には、例えば、エンジン１において第２チューニング状態は設定されず、触媒部６２の温度が上述の第２切替温度未満である場合、エンジン１のチューニング状態は第１チューニング状態にて維持され、触媒部６２の温度が第２切替温度に到達すると、第１チューニング状態から基準チューニング状態に直接的に切り替えられる。この場合、第１チューニング状態における排気中の一酸化炭素濃度は、０．０４体積％以上かつ２．５体積％以下であることが好ましい。なお、エンジン１のチューニング状態の切り替えは、必ずしもエンジン制御部７により自動的に行われる必要はなく、オペレータが手動で行ってもよい。
本発明の関連技術では、排気中の一酸化炭素濃度を定常運転時よりも高くする際には、必ずしも、エンジン１のチューニング状態を、定常運転時の基準チューニング状態から第１チューニング状態に切り替える必要もない。例えば、燃焼室２０と処理筐体６１との間にガス分離装置等を配置し、当該ガス分離装置等により、処理筐体６１に導入される排気中の一酸化炭素濃度を増大させてもよい。あるいは、ＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）を行うことにより、掃気の酸素濃度を低下させ、排気中の一酸化炭素濃度を増大させてもよい。
上記例では、触媒部６２は、一酸化炭素およびメタンの酸化に利用される１つの酸化触媒を備えているが、上述のように、触媒部６２の構造および形状は様々に変化されてよい。例えば、触媒部６２は、一酸化炭素の酸化に利用される第１の酸化触媒と、メタンの酸化に利用される第２の酸化触媒と、を備えていてもよい。第１の酸化触媒と第２の酸化触媒とは、異なる種類の酸化触媒である。この場合、処理筐体６１の内部における排気の流れの上流側に第１の酸化触媒が配置され、第２の酸化触媒は、第１の酸化触媒よりも下流側に配置される。第２の酸化触媒には、第１の酸化触媒を通過した排気が供給される。触媒部６２では、処理筐体６１に流入した排気が第１の酸化触媒を通過する際に排気中の一酸化炭素が酸化され、一酸化炭素の酸化反応熱により昇温した排気が第２の酸化触媒に供給される。この場合も、上記と略同様に、触媒部６２の第２の酸化触媒を常用温度以上まで速やかに昇温することができる。したがって、当該排気中のメタンを好適に酸化することができ、メタンスリップを好適に抑制することができる。なお、第２の酸化触媒では、一酸化炭素およびメタンの双方の酸化が行われてもよい。
エンジン１は、ＢＯＧではなく、エンジン１用の燃料として準備されているＬＮＧを燃料として用いてもよい。あるいは、エンジン１は、メタンを含む燃料ガスと重油燃料とを切り替えて使用可能な二元燃料エンジンであってもよい。
エンジン１は、４ストロークエンジンであってもよい。また、エンジン１は、燃焼方法がディーゼルサイクルまたは拡散燃焼である高圧エンジンであってもよい。
エンジンシステム１０は、ＬＮＧ運搬船以外の船舶の主機として使用されてもよく、船舶の主機以外の用途に用いられてもよい。
上記実施の形態および各変形例における構成は、相互に矛盾しない限り適宜組み合わされてよい。
１ エンジン
６ 排気処理装置
１０ エンジンシステム
５１ タービン
６１ 処理筐体
６２ 触媒部
Ｓ１１～Ｓ１８ ステップ

Claims (8)

  1. 排気処理装置であって、
    メタンを含むガスを燃料として用いるエンジンの排気が導入される処理筐体と、
    前記処理筐体に収容され、前記排気に含まれる未燃焼のメタンを酸化させる触媒部と、
    を備え、
    前記処理筐体に導入される前記排気の温度である導入排気温度が１５０℃～３５０℃である場合、前記エンジンのチューニング状態が、前記排気に含まれる一酸化炭素の濃度が定常運転時よりも高い０．０４体積％以上かつ２．５体積％以下となり、かつ、前記排気に含まれるメタンの濃度が定常運転時と同じく０．５体積％以上かつ１．５体積％以下となるように、所定のチューニング状態とされ、前記触媒部は、前記排気に含まれる一酸化炭素を酸化させて、一酸化炭素の酸化反応熱を利用してメタンの酸化開始温度よりも高い常用温度以上まで昇温することを特徴とする排気処理装置。
  2. 請求項１に記載の排気処理装置であって、
    前記所定のチューニング状態は、第１チューニング状態および第２チューニング状態を含み、
    前記触媒部の温度が前記常用温度未満かつメタンの酸化開始温度以上の温度である第１切替温度未満である場合、前記エンジンのチューニング状態は、前記排気に含まれる一酸化炭素の濃度が前記定常運転時よりも高い前記第１チューニング状態とされ、前記触媒部の温度が前記第１切替温度まで昇温すると、前記エンジンのチューニング状態が、前記排気に含まれる一酸化炭素の濃度が前記定常運転時よりも高く、かつ、前記第１チューニング状態よりも低い前記第２チューニング状態とされることを特徴とする排気処理装置。
  3. 請求項１または２に記載の排気処理装置であって、
    前記導入排気温度を測定する導入温度センサをさらに備えることを特徴とする排気処理装置。
  4. 請求項１ないし３のいずれか１つに記載の排気処理装置であって、
    前記処理筐体は、前記排気の流れ方向において、前記排気により回転するタービンよりも上流側に配置されることを特徴とする排気処理装置。
  5. 請求項１ないし３のいずれか１つに記載の排気処理装置であって、
    前記処理筐体は、前記排気の流れ方向において、前記排気により回転するタービンよりも下流側に配置されることを特徴とする排気処理装置。
  6. エンジンシステムであって、
    メタンを含むガスを燃料として用いるエンジンと、
    前記エンジンの排気を処理する請求項１ないし５のいずれか１つに記載の排気処理装置と、
    を備えることを特徴とするエンジンシステム。
  7. 請求項６に記載のエンジンシステムであって、
    前記エンジンは２ストロークエンジンであることを特徴とするエンジンシステム。
  8. メタンを含むガスを燃料として用いるエンジンの排気中の未燃焼のメタンを酸化させる排気処理方法であって、
    ａ）１５０℃～３５０℃の排気を触媒部に供給する工程と、
    ｂ）前記排気に含まれる一酸化炭素を前記触媒部において酸化させて、一酸化炭素の酸化反応熱を利用して前記触媒部をメタンの酸化開始温度よりも高い常用温度以上まで昇温させる工程と、
    ｃ）前記ｂ）工程よりも後に、前記常用温度以上の前記触媒部により前記排気中のメタンを酸化させる工程と、
    を備え、
    前記ａ）工程において、前記エンジンのチューニング状態が、前記排気に含まれる一酸化炭素の濃度が定常運転時よりも高い０．０４体積％以上かつ２．５体積％以下となり、かつ、前記排気に含まれるメタンの濃度が定常運転時と同じく０．５体積％以上かつ１．５体積％以下となるように、所定のチューニング状態とされることを特徴とする排気処理方法。
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