JP2012180814A - 排ガス処理装置およびこれを備えた内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】排ガス再循環経路に設けたスクラバを効率的に運用することができる排ガス処理装置を提供する。
【解決手段】舶用ディーゼルエンジン３にて燃焼を終えて排出された排ガスが流れる第２排ガス経路２５から排ガスを分岐させ、舶用ディーゼルエンジン３へ燃焼用空気を供給する掃気経路１９へと導く排ガス再循環経路２７，３１に設けられた排ガス処理装置１である。排ガス処理装置１は、第２排ガス経路２５から導かれた排ガス中のPMおよび硫黄酸化物を除去するスクラバ２３と、スクラバ２３の上方に配置され、PMおよび硫黄酸化物を除去した後の排ガスを冷却するための排ガス冷却器２４とを備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、排ガス処理装置およびこれを備えた内燃機関に関するものである。

窒素酸化物（以下「NOx」という。）を低減するために、舶用エンジンのような大型内燃機関において排ガス再循環（EGR；Exhaust Gas Recirculation）を行う場合、排ガス中に含まれる硫黄酸化物（以下「SOx」という。）およびPM（Particulate Matter）が腐食や詰まりなどの悪影響を内燃機関に及ぼすことから、排ガス処理装置としてスクラバが用いられることがある。
非特許文献１には、排ガス再循環経路にＥＧＲスクラバを設けた排ガス処理装置を備えた舶用エンジンが開示されている。また、非特許文献１の図７乃至図９に示されているように、ＥＧＲスクラバの排ガス流れの下流側には、排ガスを冷却するためのＥＧＲクーラが設けられている。このＥＧＲクーラによって、掃気に戻す排ガス温度を低下させ、掃気温度が上昇してNOxが増大することを防止し、ＥＧＲによって期待されるNOx低減量の減少を回避している。また、掃気に戻す排ガス温度を低下させることによって、内燃機関及びその付属品の故障を防止している。

「MAN-B&Wディーゼル機関における環境保全技術紹介 -NOx三次規制対応技術」，田中一郎，日本マリンエンジニアリング学会誌，第４５巻第４号（２０１０年）、７０−７６頁

非特許文献１のＥＧＲクーラは、ＥＧＲスクラバと別体とされており、所定の接続管路を用いて接続してＥＧＲスクラバよりも下流に配置する構成となっている。このようなＥＧＲスクラバとＥＧＲクーラの別置きの配置は、それぞれのメーカが異なるため、当業者の認識としてはごく一般的なものであった。
ところが、ＥＧＲスクラバ及びEGRクーラの流路断面積よりも小さい流路断面積を有する接続管路を用いて両装置を接続することになるので、接続管路で圧力損失が生じてしまう。このため、排ガスを昇圧して掃気に押し込むためのＥＧＲブロワの容量を大きくせざるを得ない。
また、ＥＧＲスクラバの下流にＥＧＲクーラが配置されているため、ＥＧＲスクラバを通過した後の飽和状態となった排ガスの水分が凝縮し析出してしまい、ドレン水処理のための機器が必要となりコストが嵩んでしまう。
このように、排ガス再循環経路にスクラバを設けても、スクラバを効率的に使用できないという問題がある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、排ガス再循環経路に設けたスクラバを効率的に運用することができる排ガス処理装置およびこれを備えた内燃機関を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の排ガス処理装置およびこれを備えた内燃機関は以下の手段を採用する。
すなわち、本発明にかかる排ガス処理装置は、内燃機関にて燃焼を終えて排出された排ガスが流れる排ガス経路から排ガスを分岐させ、該内燃機関へ燃焼用空気を供給する燃焼用空気供給経路へと導く排ガス再循環経路に設けられた排ガス処理装置において、前記排ガス経路から導かれた排ガス中のPMおよび硫黄酸化物を除去するスクラバと、該スクラバの上方に配置され、PMおよび硫黄酸化物を除去した後の排ガスを冷却するための排ガス冷却器とを備えていることを特徴とする。

排ガス再循環（EGR；Exhaust Gas Recirculation）経路にスクラバを設置し、該スクラバの上方に排ガス冷却器を設けることとした。排ガス冷却器には、スクラバを通過する際に吸収液と接触して飽和状態となった排ガスが導かれる。排ガス冷却器によって冷却されると、飽和状態となった排ガス中の湿分が凝縮する。排ガス冷却器にて凝縮した凝縮水は、スクラバの上方に排ガス冷却器が配置されているので、重力によって下方のスクラバへと導かれる。
このように、排ガス冷却器にて凝縮した凝縮水がスクラバに戻されるため、スクラバにて使用する吸収液に用いる水の使用量を減少させることができる。特に、吸収液を循環させて使用する場合には、排ガスとともに持ち去られた水分を補うための補給水量を減少させることができる。
また、凝縮した凝縮水が重力によって下方へと流下するので、排ガス冷却器の伝熱面に凝縮水が滞留することがなく、伝熱効率の低下を回避することができる。
また、排ガス中の水分を排ガス冷却器によって捕捉することができるので、排ガス中のミストを捕捉するために排ガス冷却器の上流側に設置されたミストキャッチャーの容積を減少させることができる。
なお、排ガス冷却器としては、例えばフィンチューブ熱交換器やプレート式熱交換器が用いられ、冷却用媒体としては、内燃機関として舶用エンジンを想定した場合、海水や清水が好適に用いられる。
内燃機関としては、典型的には、船舶に搭載される大型のエンジンであり、具体的には、舶用２サイクルエンジン及び4サイクルエンジンや、発電用４サイクルエンジンが挙げられる。

さらに、本発明の排ガス処理装置では、前記排ガス冷却器内を流れる排ガスの流路断面積と、該排ガス冷却器の上流側に接続された前記スクラバの下流部内を流れる排ガスの流路断面積とが略同等とされていることを特徴とする。

排ガス冷却器内を流れる排ガスの流路断面積と、排ガス冷却器の上流側に接続されたスクラバの下流部内を流れる排ガスの流路断面積とが同等とされているので、スクラバから排ガス冷却器に排ガスが流入する際に大きな圧力損失が加わることがない。これにより、排ガス冷却器から流出した排ガスを昇圧させるための動力を抑制することができる。
流路断面積を同等とするためには、例えば、スクラバの下流端に、スクラバの下流端の流路断面と同等の形状を有する排ガス冷却器を接続して一体化すれば良い。あるいは、スクラバの下流部の流路内に排ガス冷却器としての伝熱管を複数設置しても良い。

さらに、本発明の排ガス処理装置では、前記排ガス循環経路は、過給機のタービン部の下流側と、該過給機のコンプレッサ部の上流側との間に設けられていることを特徴とする。

過給機のタービン部の下流側と、過給機のコンプレッサ部の上流側との間に排ガス循環経路を設け、低圧ＥＧＲを構成することとした。低圧EGRの場合、EGRスクラバとEGRクーラを一体とすることにより、前述のように圧力損失が減少するためブロアが不要となる。さらに、EGRクーラもEGRスクラバと一体となっているため排ガス冷却器と過給機のコンプレッサ部との間の主要構成要素としては配管のみで済むこととなる。したがって、配管を取り回すだけで足りるので、排ガス処理装置の設置場所の自由度が増すことになる。
また、排ガス冷却器と過給機のコンプレッサ部との間の配管を上方へ向くように設置すれば、配管中に結露した水を容易に下方で回収することができ、配管寿命を延ばすことができる。

さらに、本発明の排ガス処理装置では、前記排ガス循環経路は、過給機のタービン部の上流側と、該過給機のコンプレッサ部の下流側との間に設けられていることを特徴とする。

過給機のタービン部の上流側と、過給機のコンプレッサ部の下流側との間に排ガス循環経路を設け、高圧ＥＧＲを構成することとした。高圧ＥＧＲを採用し、内燃機関と過給機との間にこの排ガス処理装置を設置することにより、設置スペースを縮小することができる。また、同時に配管長さも減少するので、配管による圧損が減少して排ガスが内燃機関側に戻りやすくなり、排ガスを昇圧させるためのＥＧＲブロアの容量を小さくすることができる。

また、本発明の内燃機関は、上記のいずれかに記載の排ガス処理装置を備えていることを特徴とする。

上記の排ガス処理装置を備えているので、排ガス規制に対応できる内燃機関を提供することができる。

本発明によれば、スクラバの上方に排ガス冷却器が配置されているので、排ガス冷却器にて凝縮した凝縮水は重力によって下方のスクラバへと導かれ、スクラバに戻されるため、スクラバにて使用する処理液に用いる水の使用量を減少させることができる。これにより、スクラバを効率的に運用することができる。

本発明の第１実施形態にかかる排ガス処理装置を備えた内燃機関を示した概略図である。 本発明の第２実施形態にかかる排ガス処理装置を備えた内燃機関を示した概略図である。

以下に、本発明にかかる実施形態について、図面を参照して説明する。
［第１実施形態］
以下、本発明の第１実施形態について、図１を用いて説明する。
同図には、本実施形態にかかる排ガス処理装置１を備えた舶用ディーゼルエンジン３まわりの概略構成が示されている。
船舶内には、排ガス処理装置１を備え、船舶推進用の主機とされたディーゼルエンジン３と、ディーゼルエンジン３の排ガスによって駆動される排気ターボ過給機５とを備えている。

ディーゼルエンジン３は、舶用２サイクルエンジンとされており、下方から給気して上方へ排気するように１方向に掃気されるユニフロー型が採用されている。ディーゼルエンジン３からの出力は、図示しないプロペラ軸を介してスクリュープロペラに直接的または間接的に接続されている。
ディーゼルエンジン３の各気筒のシリンダ部７（図１では１気筒のみを示している。）の排気ポートは排ガス集合管としての排気マニホールド９に接続されている。排気マニホールド９は、第１排ガス経路１１を介して、排気ターボ過給機５のタービン部５ａの入口側と接続されている。なお、図１において、符号１３は排気弁、符号１５はピストンである。

一方、各シリンダ部７の掃気ポートは掃気トランク１７に接続されており、掃気トランク１７は、掃気経路（燃焼用空気供給経路）１９を介して、排気ターボ過給機５のコンプレッサ部５ｂと接続されている。また、掃気経路１９には空気冷却器（インタークーラ）２１が設置されている。

排気ターボ過給機５は、タービン部５ａと、コンプレッサ部５ｂとを備えている。タービン部５ａ及びコンプレッサ部５ｂは、回転軸５ｃによって同軸にて連結されている。タービン部５ａは、ディーゼルエンジン３からの排ガスによって駆動され、タービン部５ａにて得られたタービン仕事は回転軸５ｃを介してコンプレッサ部５ｂに伝達される。コンプレッサ部５ｂは、外気（空気）および排ガス処理装置１から導かれる再循環排ガスを吸い込み所定掃気圧まで昇圧する。

タービン部５ａにてタービン仕事を与えた後の排ガスは、第２排ガス経路２５へと流出する。排ガスは、第２排ガス経路２５を通り、図示しない煙突から大気へと放出される。
第２排ガス経路２５には、一部の排ガスを分岐させてディーゼルエンジン３側へ戻す排ガス再循環（ＥＧＲ）を行う第１排ガス再循環経路２７が設けられている。第１排ガス再循環経路２７は、第２排ガス経路２５の分岐点２５ａと、排ガス処理装置１の入口部とを接続する。排ガス再循環経路２７の上流側には、排ガス循環量を調整するための排ガス再循環用調整弁２９が設けられている。

排ガス処理装置１は、スクラバ２３と、排ガス冷却器２４とを備えている。
スクラバ２３としては、吸収液を上方から散布して排ガスに接触させ、排ガス中のPMおよびSOxを除去する湿式スクラバが用いられる。スクラバ２３の下方から吸収液を回収し、図示しないポンプによって上方へと導き再び散布する再循環方式となっている。
排ガス冷却器２４は、スクラバ２３の上方に設置されており、スクラバ２３によってPMおよびSOxが除去された後の排ガスを冷却する。排ガス冷却器２４としては、例えばフィンチューブ熱交換器やプレート式熱交換器が用いられ、冷却用媒体としては海水や清水が用いられる。
排ガス冷却器２４には、スクラバ２３を通過する際に吸収液と接触して飽和状態となった排ガスが導かれるので、排ガス冷却器によって冷却されると、飽和状態となった排ガス中の湿分が凝縮する。排ガス冷却器２４にて凝縮した凝縮水は、重力によって下方のスクラバ２３へと導かれる。

なお、排ガス冷却器２４内を流れる排ガスの流路断面積と、排ガス冷却器２４の上流側に接続されたスクラバ２３の下流部内を流れる排ガスの流路断面積とが同等とされていることが好ましい。これにより、スクラバ２３から排ガス冷却器２４に排ガスが流入する際に生じる圧力損失を小さくすることができる。流路断面積を同等とするためには、図１に示されているように、スクラバ２３の下流端に、スクラバの下流端の流路断面と同等の形状を有する排ガス冷却器２４を接続して一体化すれば良い。あるいは、スクラバ２３の下流部の流路内に排ガス冷却器としての伝熱管を複数設置しても良い。

排ガス冷却器２４を通過した後の排ガスは、第２排ガス再循環経路３１へと導かれる。第２排ガス再循環経路３１は、上方へ延在する立上り部３１ａを有している。これにより、配管中に結露した水を容易に下方で回収することができ、配管寿命を延ばすことができる。

このように、本実施形態では、排気ターボ過給機５のタービン部５ａの下流側の排ガスを用いて排ガス再循環を行う低圧ＥＧＲとなっている。

第２排ガス再循環経路３１を通過した排ガスは、混合チャンバ３３へと導かれる。混合チャンバ３３は、排気ターボ過給機５のコンプレッサ部５ｂの上流側に設けられており、排ガス処理装置１から導かれた排ガスと外気とが混合されるようになっている。

次に、排ガス処理装置１を備えた舶用ディーゼルエンジン３の運用方法について説明する。
ディーゼルエンジン３から排出された排ガスは、排気マニホールド９から第１排ガス経路１１を介して排気ターボ過給機５のタービン部５ａへと導かれる。タービン部５ａでは、排ガスエネルギーを得て回転させられ、コンプレッサ５ｂを回転させる。コンプレッサ部５ｂでは、吸入した空気（外気）および再循環した排ガスを圧縮して空気冷却器２１を介してディーゼルエンジン３の掃気トランク１７へと送る。

例えば、排ガスNOx規制が厳格な海域を航行する場合には、所定のNOx値以下の排ガスとなるように排ガス再循環を行う。この場合、図示しない制御部の指令によって、排ガス再循環用調整弁２９を開として所定開度に設定する。
排ガス再循環用調整弁２９を開とすることにより、所定量の排ガスが第２排ガス経路２５から分岐され、第１排ガス再循環経路２７を通り、排ガス処理装置１のスクラバ２３へと導かれる。

スクラバ２３では、排ガスに対して吸収液を上方から散布することによって気液接触させ、排ガス中のPMおよびSOxを吸収して除去する。
スクラバ２３によって処理された排ガスは、上方へと流れ、排ガス冷却器２４へと流入する。排ガス冷却器２４では、伝熱管内を流通する海水や清水等の冷媒によって冷却され、飽和状態とされた排ガス中の湿分が凝縮する。生成した凝縮水は、重力によって下方へと流れ、スクラバ２３内で回収される。

排ガス冷却器２４にて冷却された排ガスは、第２排ガス再循環経路３１を通り、混合チャンバ３３へと導かれる。
混合チャンバ３３にて、排ガスと外気とが混合され、排気ターボ過給機５のコンプレッサ部５ｂへと導かれる。コンプレッサ部５ｂにて圧縮された混合流体は、空気冷却器２１にて冷却された後に、掃気トランク１７へと導かれる。

上述の通り、本実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。
排ガス再循環経路２７，３１にスクラバ２３を設置し、スクラバ２３の上方に排ガス冷却器２４を設けることとした。これにより、排ガス冷却器２４にて凝縮した凝縮水を、重力によって下方のスクラバ２３へと導き回収するようにした。このように、排ガス冷却器２４にて凝縮した凝縮水がスクラバ２３に戻されるため、スクラバにて使用する吸収液に用いる水の使用量を減少させることができる。特に、吸収液を循環させて使用しているので、排ガスとともに持ち去られた水分を補うための補給水量を減少させることができる。
また、凝縮水が重力によって下方へと流下するので、排ガス冷却器２４の伝熱面に凝縮水が滞留することがなく、伝熱効率の低下を回避することができる。
また、排ガス中の水分を排ガス冷却器２４によって捕捉することができるので、排ガス中のミストを捕捉するためにスクラバ２３の下流に設置されたミストキャッチャーの容積を減少させることができる。

また、排気ターボ過給機５のタービン部５ａの下流側とコンプレッサ部５ｂの上流側とを排ガス再循環経路２７，３１によって接続する低圧ＥＧＲに、この排ガス処理装置１を採用することとしたので、排ガス冷却器２４と排気ターボ過給機５のコンプレッサ部５ｂとの間の主要構成要素としては、ＥＧＲ用ブロアが不要となり第２排ガス再循環経路３１のみで済むこととなる。したがって、配管を取り回すだけで足りるので、排ガス処理装置１の設置場所の自由度が増すことになる。
このように、本実施形態によれば、排ガス処理装置１を効率的に運用することができる。

［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態について、図２を用いて説明する。
本実施形態は、第１実施形態に対して、高圧ＥＧＲとした点が相違し、その他については同様である。したがって、以下の説明では相違点について説明し、共通する構成については同一符号を付しその説明を省略する。
図２に示されているように、第１排ガス再循環経路２７の上流端は、第１排ガス経路１１の分岐点１１ａに接続されている。このように、本実施形態では、排気ターボ過給機５のタービン部５ａの上流側から排ガスを分岐することによって、高圧ＥＧＲが採用されている。排ガス冷却器２４の下流側に設けられた第２排ガス再循環経路３１には、ＥＧＲブロア３５が設けられている。このＥＧＲブロア３５によって排ガスを昇圧し、排気ターボ過給機５のコンプレッサ部５ｂにて昇圧された空気と混合する。

本実施形態によれば、排ガス冷却器２４をスクラバ２３の上方に設置したことによる第１実施形態と同様の作用効果に加え、高圧ＥＧＲに、排ガス処理装置１を採用することによる以下の作用効果を奏する。
本実施形態にかかる排ガス処理装置１を採用することにより、舶用ディーゼルエンジン３と排気ターボ過給機５との間に排ガス処理装置１を設置することができ、ガス密度が高い高圧EGRにより小さくなった排ガス処理装置１の設置スペースをさらに縮小することができる。また、同時に配管長さも減少するので、配管による圧損が減少して排ガスが舶用ディーゼルエンジン３側に戻りやすくなり、ＥＧＲブロア３５の容量を小さくすることができる。

なお、上述した各実施形態では、舶用ディーゼルエンジン３を内燃機関の一例として説明したが、例えば船舶に設置される発電用４サイクルディーゼルエンジン等の他の形式の内燃機関であってもよい。

１ 排ガス処理装置
３ 舶用ディーゼルエンジン（内燃機関）
５ 排気ターボ過給機
５ａ タービン部
５ｂ コンプレッサ部
１１ 第１排ガス経路
１９ 掃気経路（燃焼用空気供給経路）
２３ スクラバ
２４ 排ガス冷却器
２５ 第２排ガス経路
２７ 第１排ガス再循環経路
３１ 第２排ガス再循環経路
３５ ＥＧＲブロア

Claims (5)

1. 内燃機関にて燃焼を終えて排出された排ガスが流れる排ガス経路から排ガスを分岐させ、該内燃機関へ燃焼用空気を供給する燃焼用空気供給経路へと導く排ガス再循環経路に設けられた排ガス処理装置において、
   前記排ガス経路から導かれた排ガス中のPM（Particulate Matter）および硫黄酸化物を除去するスクラバと、
   該スクラバの上方に配置され、PMおよび硫黄酸化物を除去した後の排ガスを冷却するための排ガス冷却器と、
   を備えていることを特徴とする排ガス処理装置。
2. 前記排ガス冷却器内を流れる排ガスの流路断面積と、該排ガス冷却器の上流側に接続された前記スクラバの下流部内を流れる排ガスの流路断面積とが略同等とされていることを特徴とする請求項１に記載の排ガス処理装置。
3. 前記排ガス循環経路は、過給機のタービン部の下流側と、該過給機のコンプレッサ部の上流側との間に設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の排ガス処理装置。
4. 前記排ガス循環経路は、過給機のタービン部の上流側と、該過給機のコンプレッサ部の下流側との間に設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の排ガス処理装置。
5. 請求項１から４のいずれかに記載の排ガス処理装置を備えていることを特徴とする内燃機関。

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