JP2017002867A - Exhaust gas recirculation device for lng engine - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an exhaust gas recirculation device for an LNG engine that can prevent corrosion due to an EGR gas.SOLUTION: The exhaust gas recirculation device for an LNG engine includes: an LNG engine 10 burning LNG-vaporized fuel and intake air together; and an EGR circuit 34 for returning an exhaust gas discharged from a cylinder 11c of the LNG engine 10 to an intake side. The EGR circuit 34 includes a dehumidifier 42 for condensing and removing a water content contained in the exhaust gas by using cold of the LNG.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、LNGを燃料とするLNGエンジンに係り、特に、EGRによって排気を冷却して吸気側に還流したときに機器の腐食を防止するためのLNGエンジンの排気再循環装置に関するものである。   The present invention relates to an LNG engine using LNG as fuel, and more particularly to an exhaust gas recirculation device for an LNG engine for preventing corrosion of equipment when exhaust gas is cooled by EGR and returned to the intake side.

LNG(液化天然ガス)を燃料とする大型車については、シェールガス供給拡大に伴う燃料の低価格化により今後のニーズが高まるとともに、海外におけるLNG車の普及が進んでいる。   With regard to large vehicles that use LNG (liquefied natural gas) as fuel, future needs are increasing due to lower fuel prices associated with the expansion of shale gas supply, and LNG vehicles are spreading overseas.

LNG車は、LNGを燃料として用いるため、圧縮天然ガス(以下、CNG)を用いるCNG車に対して、エネルギー密度が単位体積当たり約3倍と高く、燃料の一充填当たりの航続距離が長く、長距離大型トラックなどに適している。   Since LNG vehicles use LNG as fuel, energy density is about three times higher per unit volume than CNG vehicles using compressed natural gas (hereinafter, CNG), and the cruising distance per fuel filling is long. Suitable for long haul trucks.

このLNG車に用いられるLNGエンジンでは、排ガス温度の低減のために、排ガスを吸気側に戻すEGR(排ガス再循環)回路が設けられる。   In the LNG engine used for this LNG vehicle, an EGR (exhaust gas recirculation) circuit for returning the exhaust gas to the intake side is provided in order to reduce the exhaust gas temperature.

特開平01−195963号公報Japanese Patent Laid-Open No. 01-195963 特開2001−132555号公報JP 2001-132555 A 特開2010−121470号公報JP 2010-121470 A 特開2014−080894号公報JP 2014-080894 A

しかしながら、天然ガスは燃焼により排ガス中に多量の水蒸気が発生するため、EGRクーラでEGRガスを冷却すると、EGRガス中の水分が凝縮し、その水分中に排ガス中のNOxが溶け込んで亜硝酸や硝酸となり、EGRバルブや過給機のコンプレッサなどの機器を腐食させる問題がある。   However, since natural gas generates a large amount of water vapor in the exhaust gas due to combustion, when the EGR gas is cooled by the EGR cooler, moisture in the EGR gas is condensed, and NOx in the exhaust gas is dissolved in the moisture, and nitrous acid and There is a problem that it becomes nitric acid and corrodes equipment such as an EGR valve and a turbocharger compressor.

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、EGRガスによる腐食を防止できるLNGエンジンの排気再循環装置を提供することにある。   SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, an object of the present invention is to provide an exhaust gas recirculation device for an LNG engine that can solve the above-described problems and prevent corrosion due to EGR gas.

上記目的を達成するために本発明は、LNGを気化器で気化させた燃料を吸入空気と共に燃焼するLNGエンジンと、LNGエンジンの気筒から排気された排ガスを吸気側に戻すEGR回路とを備えたLNGエンジンの排気再循環装置において、前記EGR回路に、前記LNGの冷熱で排ガス中の水分を凝縮除去する除湿器を備えたことを特徴とするLNGエンジンの排気再循環装置である。   To achieve the above object, the present invention includes an LNG engine that burns fuel obtained by vaporizing LNG with a carburetor together with intake air, and an EGR circuit that returns exhaust gas exhausted from a cylinder of the LNG engine to the intake side. In the exhaust gas recirculation apparatus for an LNG engine, the exhaust gas recirculation apparatus for an LNG engine is provided with a dehumidifier that condenses and removes moisture in exhaust gas with the cold heat of the LNG in the EGR circuit.

LNGエンジンの吸気管と排気管とに過給機が接続され、前記EGR回路が、前記過給機のタービンの上流側の排気管と過給機のコンプレッサの吸込側の吸気管とを接続するように設けられ、前記EGR回路にEGRクーラが接続されると共にEGRクーラが前記除湿器を備えるのが好ましい。   A turbocharger is connected to an intake pipe and an exhaust pipe of the LNG engine, and the EGR circuit connects an exhaust pipe on the upstream side of the turbine of the turbocharger and an intake pipe on the suction side of the compressor of the turbocharger. Preferably, an EGR cooler is connected to the EGR circuit, and the EGR cooler includes the dehumidifier.

前記EGRクーラの上流側のEGR回路には、排ガス中の未燃のメタン、COを酸化し不活性ガス化する酸化触媒が接続され、前記EGRクーラの下流側のEGR回路には、低圧EGRバルブが接続されるのが好ましい。   The EGR circuit on the upstream side of the EGR cooler is connected to an oxidation catalyst that oxidizes unburned methane and CO in the exhaust gas to generate an inert gas, and the EGR circuit on the downstream side of the EGR cooler has a low-pressure EGR valve. Are preferably connected.

前記気化器にはLNGからの冷熱を冷媒で回収するLNG熱交換器が設けられ、前記除湿器と前記LNG熱交換器が冷媒循環回路で接続されるのが好ましい。   Preferably, the vaporizer is provided with an LNG heat exchanger that recovers cold heat from LNG with a refrigerant, and the dehumidifier and the LNG heat exchanger are connected by a refrigerant circulation circuit.

前記EGRクーラは、エンジン冷却水で、気筒からのEGRガスを冷却する冷却用EGRクーラと、その冷却用EGRクーラの下流に接続されると共に前記冷媒循環回路に接続されてEGRガス中の水分を凝縮させる結露用EGRクーラと凝縮した凝縮水を回収する凝縮水分離器とからなる除湿器と、除湿器の下流に接続され、冷却用EGRクーラからの冷却水で、EGRガスを再熱する解凍用EGRクーラとからなるのが好ましい。   The EGR cooler is connected to the cooling EGR cooler that cools the EGR gas from the cylinder with engine cooling water, and downstream of the cooling EGR cooler and is connected to the refrigerant circulation circuit to remove moisture in the EGR gas. A dehumidifier comprising an EGR cooler for condensation and a condensed water separator for collecting condensed condensed water, and a defroster connected downstream of the dehumidifier to reheat the EGR gas with cooling water from the cooling EGR cooler. The EGR cooler is preferably used.

本発明は、排ガスを再循環する際に、機器の腐食を防止できるという優れた効果を発揮する。   The present invention exhibits an excellent effect of preventing corrosion of equipment when the exhaust gas is recirculated.

本発明の一実施の形態を示す図である。It is a figure which shows one embodiment of this invention. 図1の要部の詳細を示す図である。It is a figure which shows the detail of the principal part of FIG.

以下、本発明の好適な一実施の形態を添付図面に基づいて詳述する。   A preferred embodiment of the present invention will be described below in detail with reference to the accompanying drawings.

図1は、本発明のLNGエンジンの排気再循環装置を示したものである。   FIG. 1 shows an exhaust gas recirculation device for an LNG engine according to the present invention.

エンジン10のシリンダブロック11には、気筒11c毎に、クランク軸12からコンロッド13を介して上下動するピストン14が設けられる。シリンダブロック11上のシリンダヘッド15には、各気筒11c毎に点火プラグ16が設けられると共に吸気弁17と排気弁18とが設けられる。   The cylinder block 11 of the engine 10 is provided with a piston 14 that moves up and down from the crankshaft 12 via a connecting rod 13 for each cylinder 11c. The cylinder head 15 on the cylinder block 11 is provided with an ignition plug 16 and an intake valve 17 and an exhaust valve 18 for each cylinder 11c.

エンジン10への吸気は、エアクリーナ19から吸気管20を通り、吸気管20に接続した過給機21のコンプレッサ22で昇圧され、インタークーラ24で吸気が冷却され、吸気スロットルバルブ25を介してインテークマニホールド26に流入し、エンジン10の気筒11c毎に設けられたフューエルインジェクタ27からの天然ガスと混合されて気筒11c内に導入され、点火プラグ16により発火燃焼される。   The intake air to the engine 10 passes through the intake pipe 20 from the air cleaner 19, is boosted by the compressor 22 of the supercharger 21 connected to the intake pipe 20, is cooled by the intercooler 24, and is taken in via the intake throttle valve 25. It flows into the manifold 26, is mixed with natural gas from a fuel injector 27 provided for each cylinder 11c of the engine 10, is introduced into the cylinder 11c, and is ignited and burned by the spark plug 16.

各気筒11cからの排気は、排気弁18を介してエギゾーストマニホールド28に排気された後、排気管29から過給機21のタービン23に導入されてタービン23を駆動した後、図には示していないが、三元触媒に供給され、三元触媒でNOx、CO、NMHC(非メタン炭化水素)が除去され、消音器を通して大気に排気される。   The exhaust from each cylinder 11c is exhausted to the exhaust manifold 28 via the exhaust valve 18, and then introduced into the turbine 23 of the supercharger 21 through the exhaust pipe 29 to drive the turbine 23. However, NOx, CO, and NMHC (non-methane hydrocarbon) are removed by the three-way catalyst and exhausted to the atmosphere through a silencer.

過給機21には、排気管29からの排ガスの一部をタービン23の排気側に流して過給圧を制御するウエストゲート弁33が設けられ、そのウエストゲート弁33の開度がウエストゲートコントロール装置39で制御される。   The supercharger 21 is provided with a wastegate valve 33 that controls a supercharging pressure by flowing a part of the exhaust gas from the exhaust pipe 29 to the exhaust side of the turbine 23. It is controlled by the control device 39.

天然ガスは、LNG容器(図示せず)から気化器30に供給され、その気化器30で気化されると共にレギュレータ31にて一定の圧力にされた後、燃料供給管32からフューエルインジェクタ27にてインテークマニホールド26に供給されて吸気と混合されて各気筒11cに供給される。   Natural gas is supplied from an LNG container (not shown) to the vaporizer 30, vaporized by the vaporizer 30, and made constant pressure by a regulator 31, and then from a fuel supply pipe 32 by a fuel injector 27. It is supplied to the intake manifold 26, mixed with intake air, and supplied to each cylinder 11c.

さて、排気管29と過給機21のコンプレッサ22の吸気側の吸気管20とを結んで気筒11cから排気された排ガスの一部をEGRガスとして吸気側に再循環するEGR回路34が設けられる。   Now, an EGR circuit 34 is provided which connects the exhaust pipe 29 and the intake pipe 20 on the intake side of the compressor 22 of the supercharger 21 and recirculates a part of the exhaust gas exhausted from the cylinder 11c to the intake side as EGR gas. .

このEGR回路34は、排気管29とコンプレッサ22の吸気側の吸気管20を接続するEGR管35に、排ガス中の未燃のメタン、COを酸化する酸化触媒36が接続され、その下流にEGRクーラ37が接続され、さらにEGRクーラ37の下流には、吸気管20に再循環するEGRガス量を制御する低圧EGRバルブ38が接続される。   In this EGR circuit 34, an oxidation catalyst 36 that oxidizes unburned methane and CO in exhaust gas is connected to an EGR pipe 35 that connects the exhaust pipe 29 and the intake pipe 20 on the intake side of the compressor 22. A cooler 37 is connected, and a low pressure EGR valve 38 that controls the amount of EGR gas recirculated to the intake pipe 20 is connected downstream of the EGR cooler 37.

EGRクーラ37は、エンジン冷却水で、気筒11cからのEGRガスを冷却する冷却用EGRクーラ40と、その冷却用EGRクーラ40の下流に接続され、EGRガス中の水分を凝縮させる結露用EGRクーラ41aと凝縮水を回収する凝縮水分離器41bからなる除湿器42と、除湿器42の下流に接続され、冷却用EGRクーラ40からの冷却水で、EGRガスを再熱する解凍用EGRクーラ43とからなる。   The EGR cooler 37 is connected to the cooling EGR cooler 40 that cools the EGR gas from the cylinder 11c with engine cooling water, and the EGR cooler for condensation that is connected downstream of the cooling EGR cooler 40 and condenses the moisture in the EGR gas. 41a and a dehumidifier 42 comprising a condensed water separator 41b for collecting condensed water, and a thawing EGR cooler 43 connected downstream of the dehumidifier 42 and reheats the EGR gas with cooling water from the cooling EGR cooler 40. It consists of.

図2に示すように、気化器30は、LNG容器(図示せず)からのLNGを大気と熱交換する空気式熱交換器45と、空気式熱交換器45からのLNGと冷媒とを熱交換してLNGを気化させるLNG熱交換器46とからなる。   As shown in FIG. 2, the vaporizer 30 heats the LNG and refrigerant from the air heat exchanger 45 that exchanges heat with LNG from the LNG container (not shown) and the air, and the air heat exchanger 45. An LNG heat exchanger 46 that exchanges and vaporizes LNG.

結露用EGRクーラ41aと、気化器30のLNG熱交換器46とは冷媒循環回路47で接続され、その冷媒循環回路47に接続された冷媒循環ポンプ48にて冷媒が循環されるようになっている。   The condensation EGR cooler 41a and the LNG heat exchanger 46 of the vaporizer 30 are connected by a refrigerant circulation circuit 47, and the refrigerant is circulated by a refrigerant circulation pump 48 connected to the refrigerant circulation circuit 47. Yes.

除湿器42は、結露用EGRクーラ41aで冷却され、EGRガス中から凝縮した凝縮水や酸露点以下となり凝縮水に溶け込んだ亜硝酸や硝酸を、凝縮水分離器41bで、EGRガスから分離除去するもので、分離された凝縮水をEGRガスから隔離すると共に適宜ドレンパイプ50と凝縮水抜きバルブ51を介して排水するようになっている。   The dehumidifier 42 is cooled by the condensing EGR cooler 41a, and the condensed water condensed from the EGR gas and the nitrous acid and nitric acid dissolved in the condensed water below the dew point are separated and removed from the EGR gas by the condensed water separator 41b. Therefore, the separated condensed water is isolated from the EGR gas and drained through the drain pipe 50 and the condensed water drain valve 51 as appropriate.

エンジン冷却水は、冷却水ライン52にて冷却用EGRクーラ40に供給され、そこでEGRガスと熱交換され、昇温した冷却水が、解凍用EGRクーラ43に供給され、解凍用EGRクーラ43で冷却されたEGRガスを再熱するようになっている。   The engine cooling water is supplied to the cooling EGR cooler 40 through the cooling water line 52, where heat exchange with the EGR gas is performed, and the raised cooling water is supplied to the thawing EGR cooler 43. The cooled EGR gas is reheated.

次に、本実施の形態の作用を説明する。   Next, the operation of the present embodiment will be described.

吸気はエアクリーナ19からコンプレッサ22で昇圧されて吸気管20から吸気スロットルバルブ25を介してインテークマニホールド26に供給され、また気化器30からレギュレータ31を介して気化した天然ガスが燃料としてフューエルインジェクタ27からインテークマニホールド26に噴射され、吸気行程の気筒11c内に吸入され、圧縮行程で点火プラグ16の火花点火で燃焼された後、その燃焼後の排ガスがエギゾーストマニホールド28から排気管29に排気される。   The intake air is boosted by the compressor 22 from the air cleaner 19 and supplied to the intake manifold 26 from the intake pipe 20 via the intake throttle valve 25, and the natural gas evaporated from the carburetor 30 via the regulator 31 is supplied from the fuel injector 27 as fuel. After being injected into the intake manifold 26 and sucked into the cylinder 11c in the intake stroke and combusted by the spark ignition of the spark plug 16 in the compression stroke, the exhaust gas after the combustion is exhausted from the exhaust manifold 28 to the exhaust pipe 29.

この排ガス中には、天然ガス燃焼に由来する多量の水蒸気と3000〜4000ppm程度のNOxが含まれており、排気管29からタービン23に供給されてもその温度低下がないためタービン23の下流の三元触媒(図示せず)で処理されるため支障がない。   This exhaust gas contains a large amount of water vapor derived from natural gas combustion and about 3000 to 4000 ppm of NOx, and even if it is supplied from the exhaust pipe 29 to the turbine 23, its temperature does not decrease. Since it is treated with a three-way catalyst (not shown), there is no problem.

しかし、排ガスの一部をEGR回路34を介して吸気側に再循環する際には、EGRクーラ37にてEGRガスが冷却されるため、水蒸気の凝縮と合わせてNOxが酸露点以下となって亜硝酸や硝酸となって、低圧EGRバルブ38や、コンプレッサ22に付着し、これらを腐食させる問題が発生する。   However, when a part of the exhaust gas is recirculated to the intake side via the EGR circuit 34, the EGR gas is cooled by the EGR cooler 37, so that NOx becomes below the acid dew point together with the condensation of water vapor. Nitrous acid or nitric acid becomes attached to the low pressure EGR valve 38 or the compressor 22 to cause a problem of corroding them.

本発明においては、先ずEGR回路34でEGRガスを吸気側に再循環させる際に、酸化触媒36で、排ガス中の未燃のメタン、COを酸化し不活性ガス化させ、次に冷却用EGRクーラ40にて、EGRガスをエンジン冷却水等で冷却し、この冷却したEGRガスを結露用EGRクーラ41aに流し、そこでLNGの冷熱で冷却した冷媒で、EGRガス中の未還元で残ったNOxを水蒸気と共に凝縮させ、これを凝縮水分離器41bで除去する。この結露用EGRクーラ41aと凝縮水分離器41bからなる除湿器42で水分が除去された、EGRガスを解凍用EGRクーラ43で再熱することで、EGRガスは硝酸の酸露点以上に昇温され、EGRバルブ38からコンプレッサ22に再循環されても、NOxが酸露点以下になることがないため、これら機器の腐食を防止できる。   In the present invention, first, when the EGR circuit 34 recirculates the EGR gas to the intake side, the oxidation catalyst 36 oxidizes unburned methane and CO in the exhaust gas to form an inert gas, and then cools the EGR. In the cooler 40, the EGR gas is cooled with engine cooling water or the like, and the cooled EGR gas is allowed to flow to the condensation EGR cooler 41a, where it is cooled with the cold heat of LNG, and the unreduced NOx remaining in the EGR gas Is condensed with water vapor, and this is removed by the condensed water separator 41b. The EGR gas from which moisture has been removed by the dehumidifier 42 comprising the dew condensation EGR cooler 41a and the condensed water separator 41b is reheated by the thawing EGR cooler 43, so that the temperature of the EGR gas rises above the acid dew point of nitric acid. Even when recirculated from the EGR valve 38 to the compressor 22, the NOx does not fall below the acid dew point, so that corrosion of these devices can be prevented.

以上説明したように、本発明においては、EGR回路34にLNGの冷熱で排ガス中の水分を凝縮除去する除湿器42を設けることで、EGRバルブ38やコンプレッサ22の腐食を防止できる。   As described above, in the present invention, the EGR circuit 34 is provided with the dehumidifier 42 that condenses and removes the moisture in the exhaust gas with the cold heat of the LNG, whereby corrosion of the EGR valve 38 and the compressor 22 can be prevented.

また上述の実施の形態では、エギゾーストマニホールド28からの排ガスをEGRガスとして、コンプレッサ22の吸気側に戻す例で説明したが、タービン23の下流側の排ガスをEGRガスとしてコンプレッサ22の吸気側に戻すように構成してもよい。   In the above-described embodiment, the exhaust gas from the exhaust manifold 28 is returned to the intake side of the compressor 22 as EGR gas. However, the exhaust gas on the downstream side of the turbine 23 is returned to the intake side of the compressor 22 as EGR gas. You may comprise as follows.

10 LNGエンジン
11c 気筒
20 吸気管
29 排気管
34 EGR回路
37 EGRクーラ
42 除湿器
10 LNG engine 11c cylinder 20 intake pipe 29 exhaust pipe 34 EGR circuit 37 EGR cooler 42 dehumidifier

Claims (5)

LNGを気化器で気化させた燃料を吸入空気と共に燃焼するLNGエンジンと、LNGエンジンの気筒から排気された排ガスを吸気側に戻すEGR回路とを備えたLNGエンジンの排気再循環装置において、前記EGR回路に、前記LNGの冷熱で排ガス中の水分を凝縮除去する除湿器を備えたことを特徴とするLNGエンジンの排気再循環装置。   In the exhaust gas recirculation device for an LNG engine, the EGR includes an LNG engine that burns fuel obtained by vaporizing LNG with a suction air together with intake air, and an EGR circuit that returns exhaust gas exhausted from a cylinder of the LNG engine to an intake side. An exhaust gas recirculation device for an LNG engine, wherein the circuit includes a dehumidifier that condenses and removes moisture in the exhaust gas with the cold heat of the LNG. LNGエンジンの吸気管と排気管とに過給機が接続され、前記EGR回路が、前記過給機のタービンの上流側の排気管と過給機のコンプレッサの吸込側の吸気管とを接続するように設けられ、前記EGR回路にEGRクーラが接続されると共にEGRクーラが前記除湿器を備える請求項1に記載のLNGエンジンの排気再循環装置。   A turbocharger is connected to an intake pipe and an exhaust pipe of the LNG engine, and the EGR circuit connects an exhaust pipe on the upstream side of the turbine of the turbocharger and an intake pipe on the suction side of the compressor of the turbocharger. The exhaust gas recirculation device for an LNG engine according to claim 1, wherein an EGR cooler is connected to the EGR circuit and the EGR cooler includes the dehumidifier. 前記EGRクーラの上流側のEGR回路には、排ガス中の未燃のメタン、COを酸化し不活性ガス化する酸化触媒が接続され、前記EGRクーラの下流側のEGR回路には、低圧EGRバルブが接続される請求項2記載のLNGエンジンの排気再循環装置。   The EGR circuit on the upstream side of the EGR cooler is connected to an oxidation catalyst that oxidizes unburned methane and CO in the exhaust gas to generate an inert gas, and the EGR circuit on the downstream side of the EGR cooler has a low-pressure EGR valve. The exhaust gas recirculation device for an LNG engine according to claim 2, wherein 前記気化器にはLNGからの冷熱を冷媒で回収するLNG熱交換器が設けられ、前記除湿器と前記LNG熱交換器が冷媒循環回路で接続される請求項2又は3に記載のLNGエンジンの排気再循環装置。   The LNG engine according to claim 2 or 3, wherein the vaporizer is provided with an LNG heat exchanger that recovers cold heat from LNG with a refrigerant, and the dehumidifier and the LNG heat exchanger are connected by a refrigerant circulation circuit. Exhaust gas recirculation device. 前記EGRクーラは、エンジン冷却水で、気筒からのEGRガスを冷却する冷却用EGRクーラと、その冷却用EGRクーラの下流に接続されると共に前記冷媒循環回路に接続されてEGRガス中の水分を凝縮させる結露用EGRクーラと凝縮した凝縮水を回収する凝縮水分離器とからなる除湿器と、除湿器の下流に接続され、冷却用EGRクーラからの冷却水で、EGRガスを再熱する解凍用EGRクーラとからなる請求項4に記載のLNGエンジンの排気再循環装置。   The EGR cooler is connected to the cooling EGR cooler that cools the EGR gas from the cylinder with engine cooling water, and downstream of the cooling EGR cooler and is connected to the refrigerant circulation circuit to remove moisture in the EGR gas. A dehumidifier comprising an EGR cooler for condensation and a condensed water separator for collecting condensed condensed water, and a defroster connected downstream of the dehumidifier to reheat the EGR gas with cooling water from the cooling EGR cooler. The exhaust gas recirculation device for an LNG engine according to claim 4, comprising an EGR cooler for use.
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