JP5893549B2 - Ｅｇｒ装置及びエンジンシステム - Google Patents

Description

本発明は、排気ガスをエンジンに戻して再循環させるＥＧＲ装置に関する。また、このＥＧＲ装置を備えたエンジンシステムに関する。

エンジンから排出されるＮＯｘの量を低減させる技術として、排気ガスの一部をエンジンに戻す排気再循環（Exhaust Gas Recirculation；以下、「ＥＧＲ」と称す）技術が広く知られている。また、ＥＧＲを行うためのＥＧＲ装置も既に実用化されている。ＥＧＲによって排気ガスの一部がエンジンに戻されると、酸素濃度が低い状態で燃焼が行われることになる。その結果、燃焼温度が低下し、ＮＯｘの生成が抑制される。また、ＥＧＲ装置は、ＥＧＲ率（エンジンに供給するガスに占める排気ガスの割合）を０％から所定の割合まで調整できることが要求される場合がある。

特許文献１には、内部に設けられたルーツブロワ（１２）の回転速度及び回転方向を制御することにより、ＥＧＲ率を調整するＥＧＲ装置が提案されている。また、特許文献２には、圧縮機（８）の上流側に設けられた排気入口弁（３０）及び下流側に設けられたＥＧＲ弁（７）の開度をそれぞれ制御することにより、ＥＧＲ率を調整するＥＧＲ装置が提案されている。

特開２００１−３８７１号公報 特開平１１−１３２１１３号公報

特許文献１に記載のＥＧＲ装置は、ＥＧＲ率を０％に維持するために次のような制御が必要となる。つまり、ＥＧＲ装置の出入口の差圧を検出し、出口側の圧力が高いときにはルーツブロワ（１２）を正回転させ、入口側の圧力が高いときにはルーツブロワ（１２）を逆回転させる。このようにして、ＥＧＲ装置内でガスが流れない状態、すなわち流れの均衡を保つような複雑な制御が必要となる。一方、特許文献２に記載のＥＧＲ装置では、ＥＧＲ弁（７）又は排気入口弁（３０）の開度を０％にすれば、ＥＧＲ率を０％に維持することができる。しかしながら、ＥＧＲ率が０％以外の割合で調整する場合には、互いに関連する圧縮機（８）、排気入口弁（３０）、及びＥＧＲ弁（７）をそれぞれ制御しなければならず、その制御は容易ではない。

このように、特許文献１に記載のＥＧＲ装置はＥＧＲ率を０％とする制御に問題があり、特許文献２に記載のＥＧＲ装置はＥＧＲ率を０％以外の所定の割合とするときの制御に問題がある。本発明は、以上のような事情に鑑みてなされたものであって、ＥＧＲ率を０％から所定の割合まで容易に調整できるＥＧＲ装置を提供することを目的としている。

本発明のある形態に係るＥＧＲ装置は、エンジンから排出された排気ガスの一部を排気流路から抽出し、抽出した前記排気ガスを前記排気流路よりも圧力の高い供給流路へ送り込むＥＧＲ装置であって、抽出した前記排気ガスを昇圧するＥＧＲブロワと、前記ＥＧＲブロワよりも前記供給流路側に位置し、前記エンジンに供給される供給ガスが前記供給流路から前記ＥＧＲブロワ側へ流れるのを防止する逆止弁と、を備えている。

かかる構成の場合、ＥＧＲブロワを停止すれば、逆止弁が閉じて内部の流れが止まり、ＥＧＲ率を０％に維持することができる。また、ＥＧＲ率を０％以外の任意の割合に調整する場合であっても、ＥＧＲブロアの制御のみで当該調整を行うことができる。そのため、上記のＥＧＲ装置によれば、ＥＧＲ率を０％から所定の割合まで容易に調整することができる。

また、上記のＥＧＲ装置において、前記ＥＧＲブロワは容積型のブロワであってもよく、さらにルーツ式ブロワであってもよい。かかる構成によれば、ＥＧＲブロワの回転速度により、排気流路から抽出して供給通路側へ供給する排気ガスの流量が決まる。そのため、供給流路側へ供給する排気ガスの流量、すなわちＥＧＲ率をより容易に調整することができる。

また、上記のＥＧＲ装置において、前記排気ガスを洗浄する洗浄装置をさらに備え、前記洗浄装置は前記ＥＧＲブロワよりも前記排気流路側に位置するよう構成してもよい。洗浄装置は排気ガスに含まれるすすなどの異物がエンジンに悪影響を及ぼすのを抑えるためのものであるが、上記のようにＥＧＲブロアよりも排気流路側に配置することで、排気ガス中の異物がＥＧＲブロワに悪影響を及ぼすのを抑えることができる。

また、上記のＥＧＲ装置において、前記排気ガスを冷却する冷却装置をさらに備え、前記冷却装置は前記ＥＧＲブロワよりも前記排気流路側に位置するよう構成してもよい。冷却器によって冷却された排気ガスは、密度が高くなることから、体積流量が減少する。そのため、上記のようにＥＧＲブロワの上流側に冷却器を配置することで、ＥＧＲブロワの負荷を軽減させることができる。

さらに、本発明のある形態に係るエンジンシステムは、エンジンと、前記エンジンから排出された排気ガスを搬送する排気流路と、前記エンジンに供給される供給ガスを搬送する供給流路と、前記排気流路から排気ガスを抽出し、抽出した前記排気ガスを前記供給流路へ送り込むＥＧＲ装置と、を備え、前記供給流路は前記排気流路よりも圧力が高く、前記ＥＧＲ装置は、抽出した前記排気ガスを昇圧するＥＧＲブロワと、前記ＥＧＲブロワよりも前記供給流路側に位置し、前記供給ガスが前記供給流路から前記ＥＧＲブロワ側へ流れるのを防止する逆止弁と、を有する。

以上のとおり、上述したＥＧＲ装置によれば、ＥＧＲ率を０％から所定の割合まで容易に調整することができる。

図１は、本発明の第１実施形態に係るエンジンシステムのブロック図である。 図２は、本発明の第２実施形態に係るエンジンシステムのブロック図である。

以下、本発明の実施形態について図を参照しながら説明する。以下では、全ての図面を通じて同一又は相当する要素には同じ符号を付して、重複する説明は省略する。

（第１実施形態）
まず、図１を参照して、本発明の第１実施形態について説明する。図１は、第１実施形態に係るエンジンシステム１００のブロック図である。図１のうち太い実線はエンジン１０に供給される供給ガスの流れを示しており、太い破線はエンジン１０から排出された排気ガスの流れを示している。なお、後述するように、本実施形態のエンジン１０は２ストロークエンジンであるため、上記の「供給ガス」はいわゆる「掃気ガス」である。ただし、エンジン１０が４ストロークエンジンの場合には、いわゆる「給気ガス」となる。

＜エンジンシステム＞
はじめに、エンジンシステム１００の全体構成について説明する。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、エンジン１０と、排気流路２０と、供給流路３０と、過給器４０と、ＥＧＲ装置５０と、を備えている。以下、これらの各構成要素について順に説明する。

本実施形態のエンジン１０は、船舶用の２ストロークディーゼルエンジンである。本実施形態のエンジン１０には、過給器４０によって圧縮された供給ガスが供給される。そのため、供給ガスの圧力は、排気ガスの圧力よりも常に高い状態にある。なお、本実施形態のエンジン１０は、２ストロークディーゼルエンジンであるが、エンジン１０はこれに限られない。例えば、エンジン１０は、４ストロークエンジンであってもよく、ガスエンジンやガソリンエンジンであってもよい。このようなエンジンを備えたエンジンシステムであっても、供給ガスの圧力が排気ガスの圧力よりも常に高くなるよう構成することが可能である。

排気流路２０は、エンジン１０から排出された排気ガスを搬送する流路である。ここでいう「排気流路」はエンジン１０から過給器４０（タービン部４１）を経由して外部に至るまでの排気ガスの流路を意味する。つまり、排気流路２０上に、過給器４０が位置していることになる。排気流路２０の圧力は脈動があるものの、概して供給流路３０の圧力よりも低い。そのため、単に排気流路２０と供給流路３０をつないだだけでは排気流路２０から供給流路３０に排気ガスが流れることはない。

供給流路３０は、エンジン１０に供給される供給ガスを搬送する流路である。ここでいう「供給流路」は外部から過給器４０（コンプレッサ部４２）を経由してエンジン１０に至るまでの供給ガスの流路を意味する。つまり、供給流路３０上に、過給器４０が位置していることになる。また、供給流路３０の圧力は、概して排気流路２０の圧力よりも高い。特に、供給流路３０のＥＧＲ装置５０との分岐部分（排気ガスを送り込む箇所）の圧力は、排気流路２０のＥＧＲ装置５０との分岐部分（排ガスを抽出する箇所）の圧力よりも常に高い。

過給器４０は、エンジン１０に圧縮空気を供給するための装置である。過給器４０は、タービン部４１と、コンプレッサ部４２とを有している。タービン部４１にはエンジン１０から排気ガスが供給され、排気ガスのエネルギによりタービン部４１が回転する。タービン部４１とコンプレッサ部４２はシャフト部４３により連結されており、タービン部４１が回転することによりコンプレッサ部４２も回転する。コンプレッサ部４２が回転すると、外部から取り込んだ大気が圧縮され、圧縮された大気は供給流路３０を通り、供給ガスとしてエンジン１０へ供給される。

ＥＧＲ装置５０は、排気流路２０から排気ガスを抽出して供給流路３０へ送り込む装置である。本実施形態では、エンジン１０とタービン部４１の間から排気ガスを抽出している。また、コンプレッサ部４２とエンジン１０の間へと排気ガスを送り込んでいる。抽出した排気ガスを供給ガスに混入させることで、供給ガスの酸素濃度が下がり、エンジン１０における燃焼温度が低下する。その結果、エンジン１０から排出されるＮＯｘの排出量を低減することができる。以下、ＥＧＲ装置５０の詳細について説明する。

＜ＥＧＲ装置＞
図１に示すように、ＥＧＲ装置５０は抽出された排気ガスが流れる内部流路５１を有している。ＥＧＲ装置５０は、この内部流路５１に並んで配置された、洗浄装置５２と、冷却器５３と、ＥＧＲブロワ５４と、駆動装置５５と、逆止弁５６と、を備えている（ただし、駆動装置５５のみ内部流路５１上に配置されていない）。以下、これらの各構成要素について順に説明する。

洗浄装置（スクラバー）５２は、排気流路２０から抽出した排気ガスを洗浄する装置である。本実施形態のエンジン１０は、重油を燃料とした場合、排気ガスにはＳＯｘと多量のすすが含まれる。抽出した排気ガスを洗浄せずにエンジン１０に戻すと、排気ガスに含まれるＳＯｘ、すす等がエンジン１０に悪影響を及ぼす。そこで、この洗浄装置５２により排気ガスからＳＯｘ、すす等を取り除いたうえで、排気ガスをエンジン１０に戻している。排気ガスを洗浄する方法として、洗浄水中に排気ガスを通過させる方式、排気ガスに洗浄水を噴射する方式、洗浄水をしみこませた部材の間に排気ガスを通過させる方式などがあるが、いずれの方式を採用してもよい。

冷却器（ガスクーラー）５３は、排気流路２０から抽出した排気ガスを冷却する装置である。本実施形態では、冷却器５３は、洗浄装置５２から見て供給流路３０側、すなわち洗浄装置５２の下流側に配置されている。冷却器５３を洗浄装置５２の下流に配置することで、冷却器５３にすす等が付着することによる性能低下を防ぐことができる。また、冷却器５３は、ＥＧＲブロワ５４から見て排気流路２０側、すなわちＥＧＲブロワ５４の上流側に配置されている。冷却器５３によって冷却された排気ガスは、密度が高くなることから、体積流量が減少する。そのため、ＥＧＲブロワ５４の上流側に冷却器５３を配置することで、ＥＧＲブロワ５４の負荷を軽減させることができる。なお、冷却器５３の配置は上記のものに限定されない。例えば、冷却器５３はＥＧＲブロワ５４の下流側や洗浄装置５２の上流側に配置されていてもよく、また、複数箇所に配置されていてもよい。

ＥＧＲブロワ５４は、排気流路２０から抽出した排気ガスを昇圧する装置である。上記のように、本実施形態では、排気流路２０の圧力は供給流路３０の圧力よりも低い。そのため、排気流路２０から抽出した排気ガスを供給流路３０に送り込むには、排気ガスを供給流路３０の圧力にまで昇圧する必要がある。本実施形態のＥＧＲブロワ５４は、容積型のブロワであり、特にルーツ式ブロワである。容積型のブロワは回転速度と流量が比例関係にあるため、ＥＧＲブロワ５４の回転速度を制御するだけで、排気流路２０から抽出し、供給通路３０へ送り込む排気ガスの流量、すなわちＥＧＲ率を容易に調整することができる。

駆動装置５５は、ＥＧＲブロワ５４を駆動する装置である。本実施形態の駆動装置５５は、いわゆる電動モータである。ＥＧＲブロワ５４の回転速度、すなわち駆動装置５５の回転速度は、インバータ方式によって制御してもよく、極数変換方式によって制御してもよい。なお、駆動装置５５は制御装置５７によって制御される。制御装置５７は、エンジン１０の運転状況に関する情報及び使用者によって入力された入力情報を取得し、これらの情報等に基づいて駆動装置５５を制御する。

また、駆動装置５５は電動モータに限定されない。例えば、駆動装置５５は排気ガスのエネルギを駆動源とするタービンであってもよい。この場合、流量調整弁や可変ノズルにより、排気ガスの流量や流入角度を変化させることにより、駆動装置（タービン）５５の回転速度を制御することができる。また、駆動装置５５はエンジン１０のクランク軸（図示せず）の回転動力を伝達する増速機や流体継手などの動力伝達装置であってもよい。駆動装置（動力伝達装置）５５が流体継手の場合は容易に回転速度（出力側の回転速度）を制御できるが、駆動装置５５が増速機の場合であっても、ギアを切り換えることにより回転速度を制御することができる。さらに、駆動装置５５は、クランク軸の回転動力により油圧ポンプで昇圧した作動油を利用した油圧モータであってもよい。この場合は、作動油の流量を調整することで、駆動装置（油圧モータ）５５の回転速度を制御することができる。

逆止弁５６は、ＥＧＲ装置５０の内部流路５１内で逆流が生じるのを防止する弁である。本実施形態の逆止弁５６は、ＥＧＲブロワ５４から見て供給流路３０側、つまりＥＧＲブロワ５４の下流側に位置している。そして、逆止弁５６は、供給ガスが供給流路３０からＥＧＲブロワ５４へ流れるのを防止する。一方、逆止弁５６は、排気ガスがＥＧＲブロワ５４から供給流路３０へと流れるのを許容する。逆止弁５６は制御装置などによって制御されることはない。言い方を換えると、逆止弁５６は制御装置などによって制御する必要がない。よって、上述したように、ＥＧＲブロワ５４の回転速度を制御するだけで、所定の割合のＥＧＲ率に容易に調整することができる。

また、本実施形態に係るエンジンシステム１００では、供給流路３０の圧力は排気流路２０の圧力よりも常に高い。そのため、ＥＧＲブロワ５４が停止している状態では、排気流路２０から抽出された排気ガスが供給流路３０に流れ込むことはない。また、ＥＧＲ装置５０の内部流路５１に逆止弁５６が設けられているため、供給流路３０内の供給ガスがＥＧＲブロワ５４側（排気流路２０側）に流れ込むこともない。つまり、本実施形態においてＥＧＲ率を０％に維持するには、ＥＧＲブロワ５４を停止すれば足り、ＥＧＲブロワ５４を正回転又は逆回転させて流れの均衡を保つ必要はない。

以上のように、本実施形態に係るＥＧＲ装置５０によれば、ＥＧＲ率を０％から所定の割合まで容易に調整することができる。

（第２実施形態）
次に、図２を参照して、本発明の第２実施形態について説明する。図２は、第２実施形態に係るエンジンシステム２００のブロック図である。図１及び図２を対比すれば明らかなように、第１実施形態に係るエンジンシステム１００では、ＥＧＲ装置５０がタービン部４１の上流側から排気ガスを抽出していたのに対し、本実施形態に係るエンジンシステム２００では、ＥＧＲ装置５０がタービン部４１の下流側から排気ガスを抽出している点で、両システムは相違する。その他の点については、両システムは基本的に同じ構成を備えている。

ここで、同じ排気流路２０内であってもタービン部４１の下流側は上流側よりも圧力が低い。そのため、本実施形態におけるＥＧＲ装置５０が排気ガスを抽出する箇所の圧力は、第１実施形態の場合に比べて低い。よって、本実施形態においても、ＥＧＲ装置５０の上流側は下流側よりも常に圧力が低い状態は当然に維持される。そのため、本実施形態に係るＥＧＲ装置５０は、第１実施形態に係るＥＧＲ装置５０と同様の構成を備えることで、同様の作用効果を奏することができる。なお、タービン部４１の下流側は上流側に比べて排気ガスの温度が低いため、本実施形態の場合は冷却器５３による冷却の負担を軽減することができる。

以上、本発明の実施形態について図を参照して説明したが、具体的な構成はこれらの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があっても本発明に含まれる。

本発明に係るＥＧＲ装置は、ＥＧＲ率を０％から所定の割合まで容易に調整できる。よって、ＥＧＲ装置の技術分野において有益である。

１０ エンジン
２０ 排気流路
３０ 供給流路
５０ ＥＧＲ装置
５２ 洗浄装置
５３ 冷却器
５４ ＥＧＲブロワ
５６ 逆止弁
１００、２００ エンジンシステム

Claims (5)

1. エンジンから排出された排気ガスの一部を排気流路から抽出し、抽出した前記排気ガスを前記排気流路よりも圧力の高い供給流路へ送り込むＥＧＲ装置であって、
   抽出した前記排気ガスを昇圧するとともに、前記供給通路へ送り込む排気ガスの流量を調整する容積型のＥＧＲブロワと、
   前記ＥＧＲブロワよりも前記供給流路側に位置し、前記エンジンに供給される供給ガスが前記供給流路から前記ＥＧＲブロワ側へ流れるのを防止する逆止弁と、を備えたＥＧＲ装置。
2. 前記ＥＧＲブロワはルーツ式ブロワである、請求項１に記載のＥＧＲ装置。
3. 前記排気ガスを洗浄する洗浄装置をさらに備え、
   前記洗浄装置は前記ＥＧＲブロワよりも前記排気流路側に位置している、請求項１又は２に記載のＥＧＲ装置。
4. 前記排気ガスを冷却する冷却装置をさらに備え、
   前記冷却装置は前記ＥＧＲブロワよりも前記排気流路側に位置している、請求項１乃至３のうちいずれか一の項に記載のＥＧＲ装置。
5. エンジンと、
   前記エンジンから排出された排気ガスを搬送する排気流路と、
   前記エンジンに供給される供給ガスを搬送する供給流路と、
   前記排気流路から排気ガスを抽出し、抽出した前記排気ガスを前記供給流路へ送り込むＥＧＲ装置と、を備え、
   前記供給流路は前記排気流路よりも圧力が高く、
   前記ＥＧＲ装置は、
   抽出した前記排気ガスを昇圧するとともに、前記供給通路へ送り込む排気ガスの流量を調整する容積型のＥＧＲブロワと、
   前記ＥＧＲブロワよりも前記供給流路側に位置し、前記供給ガスが前記供給流路から前記ＥＧＲブロワ側へ流れるのを防止する逆止弁と、を有するエンジンシステム。

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