JP2020076392A - EGR unit and engine system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、EGRユニット及びエンジンシステムに関する。 The present invention relates to an EGR unit and an engine system.
近年、舶用エンジンに対する排ガス規制が強化されており、IMO(国際海事機関)は、2016年1月1日以降に建造起工された船舶がECA(排出規制海域)を航行する場合に、1次規制値に比してNOx排出量を80%削減した3次規制値を適用する。この規制への対策の一つが排ガス再循環(Exhaust Gas Recirculation;EGR)ユニットの設置である。EGRユニットは、エンジンから排出された排ガスを、EGR流路を介して掃気流路に供給する。排ガスを掃気流路に供給する(EGRを行う)ことにより、掃気の酸素濃度が下がり、シリンダ内での燃焼時間が長くなる結果、燃焼最高温度が低下し、NOxの排出量を抑制することができる。ただし、EGRを行うと燃費が悪化することから、ECA内ではEGRブロワを運転してEGRを行う一方、ECA外ではEGRブロワを停止してEGRを行わないとする運用が一般的である。また、エンジンの低負荷時など、NOx排出量が少ない負荷領域にあるときにもEGRブロワを停止する。 In recent years, exhaust gas regulations for marine engines have been tightened, and the IMO (International Maritime Organization) has set the first regulation when ships constructed and constructed on or after January 1, 2016 sail in ECA (Emission Control Area). Apply the third regulation value that reduces NOx emissions by 80% compared to the value. One of the measures against this regulation is the installation of an exhaust gas recirculation (EGR) unit. The EGR unit supplies the exhaust gas discharged from the engine to the scavenging passage via the EGR passage. By supplying the exhaust gas to the scavenging flow path (performing EGR), the oxygen concentration of the scavenging gas is lowered and the combustion time in the cylinder is lengthened. As a result, the maximum combustion temperature is lowered and the amount of NOx emission can be suppressed. it can. However, since fuel consumption deteriorates when EGR is performed, it is common to operate the EGR blower inside the ECA to perform EGR, while stopping the EGR blower outside the ECA so that EGR is not performed. The EGR blower is also stopped when the engine is under a low load, such as in a load range where the NOx emission amount is small.
ここで、従来のEGRユニットでは、EGR流路に排ガスを圧送するEGRブロワが設けられているとともに、EGRブロワが停止したときに閉じられる開閉弁又は逆流を防ぐ逆止弁が設けられている(例えば、特許文献1参照)。このようにEGR流路に開閉弁や逆止弁を設けることにより、EGRブロワが停止したときに掃気流路からEGR流路に掃気が流入するのを防ぐことができる。 Here, in the conventional EGR unit, an EGR blower that pressure-feeds exhaust gas is provided in the EGR flow path, and an on-off valve that is closed when the EGR blower stops or a check valve that prevents backflow is provided ( For example, see Patent Document 1). By providing the on-off valve and the check valve in the EGR passage in this way, it is possible to prevent the scavenging air from flowing into the EGR passage from the scavenging passage when the EGR blower is stopped.
しかしながら、EGR流路内に排ガスが残ったままにしておくと、EGR流路を構成する配管等の汚れや腐食を進行させるおそれがある。そのため、エンジンの運転中にEGRブロワを停止するときは、EGR流路に掃気を流入させて排ガスを排出するのが望ましいことが判明した。ただし、EGR流路に流入させる掃気の量が多すぎると、エンジンへ供給する掃気の供給量が不足し、燃費の悪化、さらには失火するという問題もある。 However, if the exhaust gas remains in the EGR passage, there is a possibility that the piping or the like forming the EGR passage may be contaminated or corroded. Therefore, when stopping the EGR blower while the engine is operating, it has been found that it is desirable to allow scavenging air to flow into the EGR passage to discharge the exhaust gas. However, if the amount of scavenging gas flowing into the EGR flow path is too large, there is a problem that the amount of scavenging gas supplied to the engine is insufficient, resulting in deterioration of fuel efficiency and further misfire.
以上のような事情に鑑みて、本発明では、エンジンの運転中にEGRブロワを停止したとき、EGR流路に微小量の掃気を流入させることができるEGRユニットを提供することを目的とする。また、エンジンの運転中にEGRブロワを停止したとき、EGR流路に微小量の掃気を流入させることができるエンジンシステムを提供することを目的とする。 In view of the circumstances as described above, it is an object of the present invention to provide an EGR unit that can allow a small amount of scavenging air to flow into the EGR flow path when the EGR blower is stopped while the engine is operating. Another object of the present invention is to provide an engine system that can allow a small amount of scavenging air to flow into the EGR passage when the EGR blower is stopped while the engine is operating.
本発明の一態様に係るEGRユニットは、舶用2サイクルエンジンを備えたエンジンシステムに設けられており、排ガス流路から排ガスを抽出し、抽出した排ガスを前記排ガス流路よりも圧力の高い掃気流路へ供給するEGRユニットであって、前記排ガス流路と前記掃気流路とをつなぐEGR流路と、前記EGR流路に設けられたEGRブロワと、を備え、前記EGR流路は、前記EGRブロワが停止したとき、前記排ガス流路と前記掃気流路の圧力差を利用して、前記EGR流路の出口から掃気を流入させ、流入した掃気によって当該EGR流路内の排ガスを前記排ガス流路へ排出するように構成されており、前記EGRブロワは、エンジンの運転中に当該EGRブロワが停止したとき、当該EGRブロワが有する複数の部材のうち相対移動する部材間の隙間を掃気が漏れ流れるように構成されている。 An EGR unit according to one aspect of the present invention is provided in an engine system including a two-cycle engine for a marine vessel, extracts exhaust gas from an exhaust gas passage, and extracts the exhaust gas having a higher pressure than the exhaust gas passage. An EGR unit for supplying the exhaust gas flow path and the scavenging flow path, and an EGR blower provided in the EGR flow path, the EGR flow path being configured to supply the exhaust gas flow path to the scavenging flow path. When the blower is stopped, the pressure difference between the exhaust gas flow passage and the scavenging flow passage is used to cause scavenging air to flow from the outlet of the EGR flow passage, and the exhaust gas in the EGR flow passage is caused to flow into the exhaust gas flow by the inflowing scavenging gas. The EGR blower is configured to discharge to a road, and when the EGR blower stops while the engine is operating, the scavenging air leaks through a gap between members that relatively move among a plurality of members included in the EGR blower. It is designed to flow.
このEGRユニットでは、EGRブロワは、エンジンの運転中に当該EGRブロワが停止したとき、当該EGRブロワが有する複数の部材のうち相対移動する部材間の隙間を掃気が漏れ流れるように構成されている。つまり、EGRブロワが停止したとき、EGRブロワ自体がオリフィスとして機能するため、EGRブロワを停止したとき、エンジンへ供給する掃気の供給量が必要以上に低下するのを防ぎつつ、EGR流路に微小量の掃気を流入させることができる。よって、上記の構成によれば、エンジンの運転中にEGRブロワを停止したとき、EGR流路に微小量の掃気を流入させることができるEGRユニットを提供することができる。 In this EGR unit, the EGR blower is configured such that, when the EGR blower is stopped during the operation of the engine, the scavenging air leaks through a gap between the members that relatively move among the plurality of members included in the EGR blower. .. In other words, when the EGR blower stops, the EGR blower itself functions as an orifice. Therefore, when the EGR blower is stopped, the supply amount of scavenging air to be supplied to the engine is prevented from unnecessarily decreasing, and the EGR flow path has a small amount. A quantity of scavenging air can be admitted. Therefore, according to the above configuration, it is possible to provide an EGR unit capable of causing a minute amount of scavenging air to flow into the EGR flow path when the EGR blower is stopped while the engine is operating.
上記のEGRユニットにおいて、前記EGRブロワは、複数の第1羽根を有する第1ロータと、複数の第2羽根を有する第2ロータと、前記第1ロータ及び前記第2ロータを収容するケーシングと、を有するルーツブロワであって、前記EGRブロワは、エンジンの運転中に当該EGRブロワが停止したとき、前記第1羽根と前記第2羽根の隙間、前記第1羽根と前記ケーシングの隙間、及び、前記第2羽根と前記ケーシングの隙間を掃気が漏れ流れるように構成されていてもよい。 In the above EGR unit, the EGR blower includes a first rotor having a plurality of first blades, a second rotor having a plurality of second blades, and a casing that houses the first rotor and the second rotor, Wherein the EGR blower has a gap between the first blade and the second blade, a gap between the first blade and the casing, and the EGR blower when the EGR blower stops during engine operation. The scavenging air may leak through the gap between the second blade and the casing.
容積式であるルーツブロワは、軸流式のブロワ等に比べて部材間の隙間が小さい。そのため、上記の構成によれば、相対移動する部材間の隙間を掃気が漏れ流れるEGRブロワを実現することができる。 The volume type roots blower has a smaller gap between members than an axial flow type blower. Therefore, according to the above configuration, it is possible to realize an EGR blower in which scavenging air leaks and flows through a gap between members that relatively move.
上記のEGRユニットにおいて、前記第1羽根と前記第2羽根の隙間、前記第1羽根と前記ケーシングの隙間、及び、前記第2羽根と前記ケーシングの隙間は、いずれも0.1mm以上1.5mm以下であってもよい。 In the above EGR unit, the gap between the first blade and the second blade, the gap between the first blade and the casing, and the gap between the second blade and the casing are all 0.1 mm or more and 1.5 mm. It may be the following.
この構成によれば、エンジンの運転中にEGRブロワを停止したとき、EGR流路に適切な量の掃気を流入させることができる。 According to this configuration, when the EGR blower is stopped while the engine is operating, an appropriate amount of scavenging air can flow into the EGR passage.
上記のEGRユニットにおいて、前記EGR流路の前記EGRブロワよりも排ガス流路側に設けられ、エンジンの運転中に前記EGRブロワが停止したときに閉じられる入口弁をさらに備え、前記入口弁は、前記EGRブロワが停止して当該入口弁が閉じたとき、前記入口弁が有する弁体と弁座の隙間を掃気が漏れ流れるように構成されていてもよい。 In the above EGR unit, further provided is an inlet valve which is provided on the exhaust gas passage side of the EGR passage with respect to the EGR blower, and which is closed when the EGR blower is stopped during engine operation. When the EGR blower is stopped and the inlet valve is closed, the scavenging air may flow through the gap between the valve body and the valve seat of the inlet valve.
この構成によれば、入口弁が閉じたとき、入口弁がオリフィスとして機能するため、EGR流路に流入する掃気の量をより一層抑えることができる。その結果、エンジンに供給される掃気の供給量が増えて、エンジンの燃費を向上させることができる。 According to this configuration, when the inlet valve is closed, the inlet valve functions as an orifice, so that the amount of scavenging gas flowing into the EGR passage can be further suppressed. As a result, the amount of scavenging air supplied to the engine is increased, and the fuel efficiency of the engine can be improved.
また、本発明の一態様に係るエンジンシステムは、上記のEGRユニットのうちのいずれかを備えている。 An engine system according to one aspect of the present invention includes any of the above EGR units.
この構成によれば、エンジンの運転中にEGRブロワを停止したとき、EGR流路に微小量の掃気を流入させることができるエンジンシステムを提供することができる。 According to this configuration, when the EGR blower is stopped during the operation of the engine, it is possible to provide an engine system that allows a small amount of scavenging air to flow into the EGR passage.
上記の構成によれば、エンジンの運転中にEGRブロワを停止したとき、EGR流路に微小量の掃気を流入させることができるEGRユニットを提供することができる。また、エンジンの運転中にEGRブロワを停止したとき、EGR流路に微小量の掃気を流入させることができるエンジンシステムを提供することができる。 According to the above configuration, it is possible to provide an EGR unit that can allow a small amount of scavenging air to flow into the EGR flow path when the EGR blower is stopped while the engine is operating. Further, it is possible to provide an engine system capable of causing a minute amount of scavenging air to flow into the EGR passage when the EGR blower is stopped while the engine is operating.
<エンジンシステム>
以下、本発明の実施形態に係るエンジンシステム100について説明する。はじめに、エンジンシステム100の全体構造について説明する。図1は、エンジンシステム100の全体図である。図1において、太く描いた破線は排ガスの流れを示しており、太く描いた実線は掃気の流れを示している。図1に示すように、本実施形態に係るエンジンシステム100は大型船舶用のエンジンシステムであって、エンジン10と、排ガス流路20と、過給機30と、掃気流路40と、EGRユニット50と、を備えている。
<Engine system>
Hereinafter, the
本実施形態のエンジン10は、大型船舶の推進用主機であり、2サイクルディーゼルエンジンである。エンジン10は、複数のシリンダ11(図1では1つのシリンダ11のみ図示している)を有しており、各シリンダ11内で燃料が爆発燃焼することでピストン12が駆動する。なお、エンジン10は、2サイクルエンジンであればよく、2サイクルディーゼルエンジンの他、2サイクル二元燃料エンジン等であってもよい。
The
排ガス流路20は、シリンダ11内における燃料の爆発燃焼によって発生した排ガスを外部へ排出する流路である。排ガス流路20は、図外の配管の他、エンジン10の出口付近に位置する排気管21等によって形成されている。つまり、排ガス流路20は、排気管21を有している。エンジン10で発生した排ガスは、一時的に排気管21に溜められた後、過給機30に向かって排出される。
The
過給機30は、掃気を圧縮する装置である。過給機30は、排ガス流路20に設けられたタービン部31と、掃気流路40に設けられたコンプレッサ部32と、タービン部31とコンプレッサ部32を連結する連結軸33を有している。排ガスのエネルギによりタービン部31が回転すると、これに伴ってコンプレッサ部32も回転する。コンプレッサ部32が回転することにより、外部から取り込んだ掃気(新気)が圧縮される。
The
掃気流路40は、エンジン10に掃気を供給する流路である。過給機30により圧縮された掃気は掃気流路40を流れ、合流点41において後述するEGR流路51から供給された排ガスを取り込んだ後、エンジン10へ供給される。掃気流路40は、図外の配管の他、エンジン10の入口付近に位置する掃気管42等によって形成されている。つまり、掃気流路40は、掃気管42を有している。掃気管42は掃気を一時的に溜めた後、エンジン10へ供給する。
The
なお、上述した通り、本実施形態のエンジン10は、2サイクルエンジンである。2サイクルエンジンは、ピストン12が下死点近傍にあり掃気ポートが開いているとき、掃気がシリンダ11内に流入してシリンダ11内の排ガスを排出するように構成されている。そのため、掃気流路40の圧力は、排ガス流路20の圧力よりも常に高い。
Note that, as described above, the
EGRユニット50は、排ガス流路20から排ガスを抽出して掃気流路40に供給するユニットである。排ガスを掃気流路40に供給することで、掃気の酸素濃度が下がり、シリンダ内での燃焼時間が長くなる結果、燃焼最高温度が低下し、掃気中の窒素と結合するサーマルNOxの発生を抑え、結果として排ガスに含まれるNOxの排出量を抑制することができる。EGRユニット50の詳細については後述する。
The
<EGRユニット>
次に、EGRユニット50について詳しく説明する。図1に示すように、本実施形態のEGRユニット50は、EGR流路51と、スクラバ52と、EGRブロワ53と、入口弁54と、を有している。
<EGR unit>
Next, the
EGR流路51は、排ガス流路20から排ガスを抽出し、抽出した排ガスを掃気流路40へ供給する流路である。本実施形態のEGR流路51は、図外の配管等により形成されており、排ガス流路20の排気管21と掃気流路40の掃気管42よりも上流側の部分とをつないでいる。ただし、EGR流路51は、排ガス流路20と掃気流路40をつないでいればよく、接続箇所は限定されない。例えば、EGR流路51は、排気管21と掃気管41をつないでいてもよい。
The
スクラバ52は、EGR流路51に取り込んだ排ガスを洗浄する装置である。本実施形態のエンジン10は重油を燃料としており、排ガスにはSOx及び多量のすす等が含まれる。EGR流路51に取り込んだ排ガスをそのままエンジン10に供給すると、排ガスに含まれるSOx及びすす等がエンジン10に悪影響を及ぼす。そこで、本実施形態ではスクラバ52を用いて排ガスからSOx及びすす等を取り除いている。
The
EGRブロワ53は、EGR流路51のスクラバ52よりも下流に設けられ、排ガスを掃気流路40へ圧送する装置である。本実施形態のEGRブロワ53は、回転数と送風量が比例する容積式のブロワであり、より具体的にはルーツブロワである。図1に示すように、EGRブロワ53は、第1ロータ61と、第2ロータ62と、第1ロータ61及び第2ロータ62を収容するケーシング63と、を有している。
The
本実施形態のEGRブロワ53は、3葉式のルーツブロワであるため、第1ロータ61は3つの第1羽根65を有しており、第2ロータ62は3つの第2羽根66を有している。EGRブロワ53が2葉式のルーツブロワであれば、第1ロータ61は2つの第1羽根65を有し、第2ロータ62は2つの第2羽根66を有することになる。EGRブロワ53が駆動している間は、第1ロータ61と第2ロータ62は、ケーシング63内で互いに噛み合うようにして回転する。そのため、第1羽根65と第2羽根66は相対移動し、第1羽根65とケーシング63は相対移動し、第2羽根66とケーシング63は相対移動する。
Since the
上述のとおり、ルーツブロワは容積式のブロワであるため、第1羽根65と第2羽根66との間、第1羽根65とケーシング63との間、及び、第2羽根66とケーシング63との間からは圧送する流体が極力漏れないことが望ましい。しかしながら、これらの部材の間に隙間がなければ第1ロータ61及び第2ロータ62は回転できない。そのため、実際にはこれらの部材の間にはわずかな隙間が形成されている。本実施形態では、これらの隙間はいずれも0.1mm以上1.5mm以下に設定されている。
As described above, since the roots blower is a positive displacement blower, it is between the
入口弁54は、EGR流路51の入口側に設けられた弁である。本実施形態では、EGR流路51のスクラバ52より上流側に設けられている。また、入口弁54は、EGRブロワ53が停止したときに閉じるように構成されている。なお、本実施形態の入口弁54はバタフライ弁であるが、入口弁54はバタフライ弁の他、ゲート弁など他のバルブであってもよい。
The
入口弁54は、高温の排ガスを閉止または通過させることができるように金属で形成された弁体71と、同じく金属で形成された弁座72を有している。そして、入口弁54が閉じたときには、弁体71と弁座72はシール部材等を介さずに直接接触する。つまり、本実施形態の入口弁54は、メタルタッチ構造が採用されている。そのため、入口弁54が閉じた状態であっても、弁体71と弁座72との間にわずかな隙間が形成されている。
The
以上のとおり、本実施形態のEGRユニット50には、エンジン10の運転中にEGRブロワ53が停止したとき、EGR流路51内の流体を完全に止めるような弁又は部材は設けられていない。EGRブロワ53は部材間にわずかな隙間が存在し、入口弁54は閉じたときに弁体71と弁座72の間にはわずかな隙間が存在する。
As described above, the
<EGRユニットの動作>
次に、EGRユニット50の動作について説明する。エンジンシステム100が駆動している間は常にEGRが実施されているわけではなく、エンジンシステム100が搭載されている船舶の航行海域やエンジンシステム100の運転状況に応じてEGRを停止する。エンジン10の運転中にEGRブロワ53を停止することにより、排ガスが掃気流路40に供給されなくなり、EGRが停止される。また、EGRブロワ53の停止に伴って、入口弁54は閉じられる。
<Operation of EGR unit>
Next, the operation of the
前述したとおり、掃気流路40の圧力は、排ガス流路20の圧力よりも高い。そして、本実施形態のEGRユニット50には、エンジン10の運転中にEGRブロワ53が停止したとき、EGR流路51内の流体を完全に止めるような弁又は部材は設けられていない。そのため、EGRブロワ53が停止したときには、排ガス流路20と掃気流路40の圧力差によって、EGR流路51の出口から掃気が流入する。これにより、EGR流路51に残った排ガスは流入した排ガスによって排ガス流路20へ排出される。その結果、EGR流路51に残った排ガスによって、EGR流路51を構成する配管等の汚れや腐食が進行するのを抑制することができる。
As described above, the pressure in the scavenging
さらに、EGRブロワ53を形成する部材間には隙間が存在し、入口弁54の弁体71と弁座72の間には隙間が存在するものの、それらの隙間はわずかな隙間である。そのため、エンジン10の運転中にEGRブロワ53が停止したとき、EGRブロワ53及び入口弁54はそれぞれオリフィスとして機能する。これにより、EGR流路51に流入する掃気の量は微小量となり、掃気の減少によるエンジン10の燃費の悪化を抑制することができる。
Further, although a gap exists between the members forming the
10 エンジン
20 排ガス流路
40 掃気流路
50 EGRユニット
51 EGR流路
53 EGRブロワ
54 入口弁
61 第1ロータ
62 第2ロータ
63 ケーシング
65 第1羽根
66 第2羽根
71 弁体
72 弁座
100 エンジンシステム
10
Claims (5)
前記排ガス流路と前記掃気流路とをつなぐEGR流路と、
前記EGR流路に設けられたEGRブロワと、を備え、
前記EGR流路は、前記EGRブロワが停止したとき、前記排ガス流路と前記掃気流路の圧力差を利用して、前記EGR流路の出口から掃気を流入させ、流入した掃気によって当該EGR流路内の排ガスを前記排ガス流路へ排出するように構成されており、
前記EGRブロワは、エンジンの運転中に当該EGRブロワが停止したとき、当該EGRブロワが有する複数の部材のうち相対移動する部材間の隙間を掃気が漏れ流れるように構成されている、EGRユニット。 An EGR unit provided in an engine system equipped with a two-cycle marine engine, which extracts exhaust gas from an exhaust gas passage and supplies the extracted exhaust gas to a scavenging passage having a higher pressure than the exhaust passage.
An EGR channel connecting the exhaust gas channel and the scavenging channel,
An EGR blower provided in the EGR flow path,
When the EGR blower is stopped, the EGR flow path uses the pressure difference between the exhaust gas flow path and the scavenging flow path to allow scavenging air to flow in from the outlet of the EGR flow path, and the EGR flow is caused by the inflowing scavenging gas. The exhaust gas in the passage is configured to be discharged to the exhaust gas passage,
The EGR blower is an EGR unit configured such that, when the EGR blower is stopped while the engine is operating, scavenging air leaks and flows through a gap between members that relatively move among a plurality of members included in the EGR blower.
複数の第1羽根を有する第1ロータと、
複数の第2羽根を有する第2ロータと、
前記第1ロータ及び 前記第2ロータを収容するケーシングと、
を有するルーツブロワであって、
前記EGRブロワは、エンジンの運転中に当該EGRブロワが停止したとき、前記第1羽根と前記第2羽根の隙間、前記第1羽根と前記ケーシングの隙間、及び、前記第2羽根と前記ケーシングの隙間を掃気が漏れ流れるように構成されている、請求項1に記載のEGRユニット。 The EGR blower is
A first rotor having a plurality of first blades;
A second rotor having a plurality of second blades;
A casing accommodating the first rotor and the second rotor;
A roots blower having
The EGR blower has a gap between the first blade and the second blade, a gap between the first blade and the casing, and a gap between the second blade and the casing when the EGR blower is stopped during operation of the engine. The EGR unit according to claim 1, wherein the scavenging air leaks through the gap.
前記入口弁は、エンジンの運転中に前記EGRブロワが停止して当該入口弁が閉じたとき、前記入口弁が有する弁体と弁座の隙間を掃気が漏れ流れるように構成されている、請求項1乃至3のうちいずれか一の項に記載のEGRユニット。 An inlet valve that is provided on the exhaust gas flow passage side of the EGR flow passage in the EGR flow passage and that is closed when the EGR blower stops during engine operation;
The inlet valve is configured such that when the EGR blower is stopped and the inlet valve is closed during engine operation, scavenging gas leaks and flows through a gap between the valve body and the valve seat of the inlet valve. The EGR unit according to any one of the items 1 to 3.
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