JP5940727B2 - 洗浄冷却装置、ｅｇｒユニット、及びエンジンシステム - Google Patents

Description

本発明は、排気ガスを洗浄して冷却する洗浄冷却装置に関する。

エンジンから排出される窒素酸化物（ＮＯｘ）の量を低減させる手法として、排気ガスの一部をエンジンに戻す排気再循環（ＥＧＲ；Exhaust Gas Recirculation）が知られている。排気ガスの一部をエンジンに戻すことにより、酸素濃度が低い状態で燃焼が行われ、その結果、燃焼温度が低下してＮＯｘの生成が抑制される。ただし、使用する燃料によっては、排気ガスに粒子状物質（ＰＭ；Particulate Matter）や硫黄酸化物（ＳＯｘ）が大量に含まれる場合があり、この場合には再循環させる排気ガスからＰＭやＳＯｘを取り除く必要がある。排気ガスからＰＭやＳＯｘを取り除くには、洗浄液によってこれらを取り除く湿式ガス洗浄装置（スクラバ）が有効である（特許文献１の図２の符号１５参照）。

また、ＥＧＲユニット内において上記のスクラバを設置した場合には、スクラバの下流にガス冷却器を設置する場合がある。スクラバによって洗浄された排気ガスは飽和状態にあり、大量の水分を含んでいる。そのため、洗浄された排気ガスをガス冷却器で冷却すると、排気ガス中の大量の水分が凝縮水となって排出され、排気ガスに含まれる水分を取り除くことができる。よって、このようにしてガス冷却器を設置することにより、ガス冷却器よりも下流に位置する機器に排気ガスの水分が付着するのを防ぎ、それらの機器が腐食等するのを抑えることができる。

上述したスクラバで使用した洗浄液、及びガス冷却器で発生した凝縮水は、通常、別途設けられたサージタンクに排出され一時的に溜められる。使用後の洗浄液や凝縮水をこのサージタンクに溜めるのは、これらを洗浄液としてスクラバで再利用するためである。ただし、洗浄液として再利用するには、中和剤をサージタンク又は配管中に投入する必要がある。なぜなら、洗浄液や凝縮水はＳＯｘを吸収することでｐＨ値が低下して酸性となるが、このようなｐＨ値が低い液体を洗浄液として使用すると、脱硫反応が進まなくなり、ＳＯｘの除去を効率よく行えなくなるからである。一方で、サージタンクに溜められた液体のｐＨ値を高くしすぎると塩が固着したり、また、ＣＯ_２までも溶解してしまい中和剤をさらに投入する必要が生じる。なお、排気ガス中のＳＯｘの濃度は、エンジンの負荷やＥＧＲ率（ＥＧＲラインへのバイパス率）によって変化し、これに伴ってサージタンクに溜められた液体のｐＨ値も変動する。そのため、排気ガスの洗浄を効率よく行うには、サージタンクに溜められた液体のｐＨ値を常に観測し、そのｐＨ値に応じて適切な量の中和剤を投入しなければならない。

特開２０１１−１５７９５９号公報

上述したように、サージタンク内の液体のｐＨ値は、中和剤を投入することで調整されるが、実際にはＥＧＲユニット内を循環する洗浄液の量は非常に多いため、ｐＨ値の応答反応は遅く、ｐＨ値を理想的な範囲で安定させるのは容易ではない。

また、サージタンクをスクラバやガス冷却器から離れて設置する場合には、サージタンク内をＥＧＲラインの内圧と同程度の高い圧力に保つことは実質的に不可能であり、サージタンク内の液体は大気圧下で貯蔵されることになる。この場合、サージタンク内の液体を洗浄液としてスクラバに供給するには、大気圧まで下がった洗浄液の圧力をスクラバの内圧程度にまで昇圧しなければならない。そのため、使用するポンプが大型化するとともに、ポンプの消費電力も増大する。

さらに、サージタンクに流れ込む洗浄液や凝縮水は酸性であるため、これらが流れる配管類は耐食性のものを使用しなければならず、ＥＧＲシステムの製造コストの増大にもつながる。

また、安定的に洗浄液をスクラバに供給するには、サージタンクの容量を大きくする必要があり、ＥＧＲユニットがサージタンクを備えると、当然ながらＥＧＲユニットはサージタンクに取り付けられる配管類も備えなければならない。つまり、ＥＧＲユニットの小型化が望まれるところ、そもそもサージタンクの設置はＥＧＲユニットの小型化にとって障害となっている。

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、サージタンクのないＥＧＲユニットを構成することを目的としている。

本発明のある形態に係る洗浄冷却装置は、ＥＧＲユニットの一部を構成する装置であって、洗浄液を用いて排気ガスを洗浄する洗浄部と、前記洗浄部に隣接し、前記洗浄部で洗浄された排気ガスを冷却する冷却部と、を備え、前記洗浄部は、洗浄に使用する洗浄液が溜められている液体エリアを有し、前記冷却部は、排気ガスの冷却によって発生した凝縮水を受ける液体エリアを有し、前記洗浄部の液体エリアと前記冷却部の液体エリアとが直接接続されている。

ここで、「直接接続されている」とは、タンクを介さずに接続されているという意味であって、タンクを介して「間接的に接続されている」ような場合は排除される。例えば、洗浄部の液体エリアと冷却部の液体エリアが共通の貯水部として一体に形成されている場合、洗浄部の液体エリアと冷却部の液体エリアが互いに配管で接続されている場合、及び、洗浄部の液体エリアと冷却部の液体エリアがそれぞれ収容する液体をポンプ等で直接やりとりできるように構成されている場合は、洗浄部の液体エリアと冷却部の液体エリアは「直接接続されている」といえる。上記の構成によれば、洗浄部の液体エリアと冷却部の液体エリアが直接接続されているため、冷却部で発生した凝集水が他の機器に搬送されることもなく、そのまま洗浄液として使用される。そのため、上記の洗浄冷却装置を備えたＥＧＲユニットは、洗浄液を貯蔵するサージタンクが不要となる。

また、上記の洗浄冷却装置において、前記洗浄部は洗浄された排気ガスが流れる気体エリアを有し、前記冷却部は冷却される排気ガスが流れる気体エリアを有し、前記洗浄部の気体エリアと前記冷却部の気体エリアとが直接接続されていてもよい。この構成によれば、洗浄部と冷却部とが直接接続されているため、ＥＧＲユニットをより小型化することができる。

また、上記の洗浄冷却装置において、前記洗浄部及び前記冷却部は、外枠ケースの内壁と、該外枠ケースの内部空間を仕切る仕切部材とによって画されていてもよい。この構成によれば、洗浄冷却装置を非常に単純な構造とすることができる。

また、上記の洗浄冷却装置において、前記洗浄部の気体エリアと前記冷却部の気体エリアとが前記仕切部材の上端付近において直接接続されており、前記洗浄部の液体エリアと前記冷却部の液体エリアとが前記仕切部材の下端付近において直接接続されていてもよい。この構成によれば、外枠ケース内の空間を有効に使用することができる。

また、上記の洗浄冷却装置において、前記仕切部材は板状に形成されていてもよい。この構成によれば、洗浄冷却装置をより単純な構造とすることができる。

また、上記の洗浄冷却装置において、前記洗浄部は液体エリアの洗浄液を汲み上げて排気ガスに噴射するように構成されていてもよい。

また、上記の洗浄冷却装置において、前記洗浄部は液体エリアの洗浄液中に排気ガスを放出するように構成されていてもよい。この構成によれば、洗浄部の液体エリアを有効に利用して、溜水方式の洗浄を行うことができる。

さらに、本発明のある形態に係るＥＧＲユニットは、上記の洗浄冷却装置を備え、前記洗浄冷却装置によって洗浄及び冷却した排気ガスをエンジンに再循環させる。

さらに、本発明のある形態に係るエンジンシステムは、上記のＥＧＲユニットを備えている。

以上のとおり、ＥＧＲユニットが上述した洗浄冷却装置を備えることで、サージタンクのないＥＧＲユニットを構成することができる。

図１は、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、上記エンジンシステムの洗浄冷却装置の概略図である。 図３は、第２実施形態に係るエンジンシステムの洗浄冷却装置の概略図である。

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）
はじめに、図１及び図２を参照して、第１実施形態について説明する。

＜エンジンシステム＞
まず、本実施形態に係るエンジンシステム１００について説明する。図１は、エンジンシステム１００のブロック図である。図１に示すように、エンジンシステム１００は、エンジン１０と、過給器２０と、ＥＧＲユニット３０と、を備えている。

本実施形態におけるエンジン１０は、船舶の推進用主機であり、２ストロークディーゼルエンジンである。エンジン１０には、過給器２０から掃気通路１１を介して掃気ガス（４ストロークエンジンの場合には「給気ガス」）が供給される。また、エンジン１０から排出された排気ガスは排気通路１２を介して過給器２０に供給される。なお、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。また、エンジン１０は船舶に用いられるものに限らず、発電設備に用いられるものであってもよい。

過給器２０は、空気を昇圧してエンジン１０に供給する装置である。過給器２０は、タービン部２１と、コンプレッサ部２２とを有している。タービン部２１にはエンジン１０から排出された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２１が回転する。タービン部２１とコンプレッサ部２２は連結シャフト２３により連結されており、タービン部２１の回転に伴ってコンプレッサ部２２も回転する。コンプレッサ部２２が回転すると、外部から取り込んだ空気（大気）が圧縮され、圧縮された空気は掃気ガスとしてエンジン１０へ供給される。

ＥＧＲユニット３０は、エンジン１０から排出された排気ガスをエンジン１０へ戻す（再循環させる）ユニットである。ＥＧＲユニット３０は、排気通路１２から排気ガスを抽出し、抽出した排気ガスを洗浄冷却装置３１（後で詳述する）で洗浄するとともに冷却して掃気通路１１へ送り込む。洗浄冷却装置３１の下流側にはＥＧＲブロワ３２が設けられており、このＥＧＲブロワ３２の動力によってＥＧＲユニット３０内の排気ガスを掃気通路１１に供給する。このように、排気ガス（既燃ガス）を掃気通路１１へ供給することで、エンジン１０に供給される掃気ガスの酸素濃度が低下し、ＮＯｘの排出量を低減することができる。

＜洗浄冷却装置＞
続いて、ＥＧＲユニット３０の一部を構成する洗浄冷却装置３１について説明する。図２は、本実施形態に係る洗浄冷却装置３１の概略図である。図２に示すように、洗浄冷却装置３１は、洗浄部３３と、冷却部３４と、循環装置３５と、を備えている。

洗浄部３３は、排気ガスを洗浄する部分である。洗浄部３３は、排気ガスで満たされる気体エリア３６と、洗浄液で満たされる液体エリア３７を有している。気体エリア３６及び液体エリア３７の範囲は、洗浄液の水面位置によって決定される。気体エリア３６には、流入口３８が形成されており、この流入口３８を通って洗浄部３３の内部に排気ガスが流入する。気体エリア３６には洗浄液を噴射する噴射ノズル３９が設けられており、噴射ノズル３９から噴射された洗浄液によって排気ガスは洗浄される。排気ガス中のＰＭ及びＳＯｘを取り込んだ洗浄液は自重によって落下し、液体エリア３７に溜められる。また、洗浄液の一部は蒸発して排気ガスに吸収され、排気ガスは飽和状態となる。

冷却部３４は、洗浄部３３で洗浄された排気ガスを冷却する部分である。排気ガスを冷却することで、凝縮水を発生させ、排気ガスから水分を取り除くことができる。冷却部３４も、排気ガスで満たされる気体エリア４０と、液体（凝集水及び洗浄液）で満たされる液体エリア４１を有している。冷却部３４の気体エリア４０と洗浄部３３の気体エリア３６とは気体接続口４２を介して直接接続されており、洗浄部３３で洗浄された排気ガスは洗浄部３３の気体エリア３６から気体接続口４２を通って冷却部３４の気体エリア４０に流入する。冷却部３４の気体エリア４０には熱交換器４３及びミストキャッチャ４４が設けられているとともに、排出口４５が形成されている。

冷却部３４の熱交換器４３は、内部に冷却媒体（例えば、海水）が流れており、この冷却媒体と排気ガスとによって熱交換が行われる。冷却部３４に流入した排気ガスは、この熱交換器４３を通過することで冷却される。熱交換器４３を通過した排気ガスは、さらにミストキャッチャ４４によって霧状化した洗浄液が捕獲され、最終的に排出口４５を通って、洗浄冷却装置３１から排出される。排気ガスを冷却することによって発生した凝縮水、及びミストキャッチャ４４によって捕獲された洗浄液は自重によって落下し、落下した凝集水及び洗浄液は液体エリア４１で受けることになる。

また、冷却部３４の液体エリア４１と洗浄部３３の液体エリア３７とは、液体接続口４６を介して直接接続されている。よって、冷却部３４の液体エリア４１と洗浄部３３の液体エリア３７とによって、水面下で接続されて一体となった貯水部４７を形成している。この貯水部４７の水位は、洗浄冷却装置３１に設けられたレベル計４８によって測定されている。また、貯水部４７の洗浄液の一部は、廃水処理ユニット６０へ排出され、遠心分離機等によって異物が取り除くなどの処理が行われる。そして、廃水処理ユニット６０で処理された洗浄液の一部は貯水部４７へ戻され、残りは外部（例えば海）へと排出される。また、貯水部４７には中和剤投入装置４９から中和剤が投入され、清水供給装置５０から清水が供給される。

上述した、洗浄部３３と冷却部３４は、外枠ケース５１の内壁５２と、外枠ケース５１の内部空間を仕切る仕切部材５３とによって画されている。外枠ケース５１及び仕切部材５３の形状はいずれも限定されるものではないが、例えば、外枠ケース５１は直方体に近い形状に形成されており、仕切部材５３は板状に形成されている。図２の紙面左右方向を「第１方向」とし、紙面に垂直な方向を「第２方向」とすると、本実施形態の仕切部材５３は、外枠ケース５１の第１方向略中央に位置し、かつ、第２方向に延びている。そして、仕切部材５３の第２方向両端部分は、外枠ケース５１の内壁５２に接している。一方、仕切部材５３の上端と外枠ケース５１の内壁５２との間には隙間が形成されており、この隙間が上述した気体接続口４２を構成している。同様に、仕切部材５３の下端と外枠ケース５１の内壁５２との間には隙間が形成されており、この隙間が上述した液体接続口４６を構成している。

循環装置３５は、貯水部４７の洗浄液を汲み上げて洗浄部３３の噴射ノズル３９に供給する装置である。循環装置３５は、貯水部４７と噴射ノズル３９をつなぐ循環配管５４と、循環配管５４に設けられた循環ポンプ５５とによって主に構成されている。また、循環配管５４には、ｐＨ計５６と、ＳＯ_４イオン計５７が設けられている。そして、洗浄冷却装置３１は、ｐＨ計５６、ＳＯ_４イオン計５７、及び前述したレベル計４８の測定値に基づいて、貯水部４７の水位が液体エリア３７と液体エリア４１の液体接続口４６の上端部よりも常に上方に位置するように（つまり、洗浄液の水面が液体接続口４６の上端部よりも低くなって、洗浄部３３の気体エリア３６の排気ガスの一部が、液体接続口４６を介して（熱交換器４３及びミストキャッチャ４４をバイパスして）冷却部３４の気体エリア４０に流入しないように）、ｐＨ値が所定の範囲内となるように、及び、ＳＯ_４イオン濃度が一定以下となるように、中和剤投入装置４９からの中和剤の投入量、清水供給装置５０からの清水の供給量、及び廃水処理ユニット６０へ出入りする洗浄液の量を制御するよう構成されている。なお、具体的な制御方法についての説明は省略する。

以上のように、本実施形態では、外枠ケース５１内において、洗浄部３３の液体エリア３７と冷却部３４の液体エリア４１とが直接接続されており、両液体エリア３７、４１によって一体に構成される貯水部４７の洗浄液を汲み上げて噴射ノズル３９から噴射している。そのため、噴射ノズル３９から噴射する洗浄液をサージタンク等から汲み上げる必要がないため、ＥＧＲユニット３０にサージタンク等が不要となり、ＥＧＲユニット３０をコンパクトに構成することができる。これにより、エンジン１０によっては、本実施形態に係るＥＧＲユニット３０を搭載することも可能となる。

また、本実施形態のＥＧＲユニット３０は、サージタンクを有しておらず、外枠ケース５１内において、洗浄液は洗浄部３３及び冷却部３４の下方に位置する貯水部４７に一体に溜められているため、ＥＧＲユニット３０内を循環する洗浄液の量を抑えることができる。そのため、中和剤の投入等によるｐＨ値の応答反応は速く、洗浄液のｐＨ値を適切な範囲で維持することができる。また、冷却部３４で発生した凝縮水には中和剤が存在していないため、洗浄後にわずかに残った硫黄分が溶け込んでしまう結果、通常は凝縮水のｐＨ値は、洗浄部３３において排気ガスと反応した後の洗浄液のｐＨ値よりも低くなる。このように冷却部３４の凝縮水と洗浄部３３の洗浄液のｐＨ値が異なっても、本実施形態では貯水部４７が一体となっているため、両液体がすぐに混合され、一括でｐＨ値の制御を行うことができる。その結果、エンジン１０に再循環させる排気ガス中のＳＯｘの除去を効率よく行うことができる。また、循環装置３５の循環配管５４を通過する洗浄液のｐＨ値は低くなりすぎないため、循環配管５４に過度な耐食対策を施す必要もない。さらに、例えば使用した洗浄液を廃水処理ユニット６０から海へ排出する場合、ＥＧＲユニット３０から廃水処理ユニット６０へ搬送される洗浄液は、海へ排出する際のｐＨ値の基準（廃水基準）を問題なくクリアできると考えられる。そのため、廃水処理ユニット６０で中和処理を行う必要がない。

また、洗浄部３３の噴射ノズル３９から噴射する洗浄液は、洗浄部３３に溜められた洗浄液を利用するため、循環配管５４の入口側の部分と出口側の部分で大きな圧力差は生じない。そのため、循環装置３５の循環ポンプ５５を大型化する必要もなく、消費電力も抑えることができる。

（第２実施形態）
次に、図３を参照して、第２実施形態について説明する。本実施形態に係るエンジンシステム２００は、洗浄部３３による洗浄方式がスプレー式と溜水式を組み合わせたものである以外は、第１実施形態のエンジンシステム１００と基本的に同じである。以下では、本実施形態に係る洗浄冷却装置３１を中心に説明する。

図３は、本実施形態に係る洗浄冷却装置３１の概略図である。本実施形態に係る洗浄冷却装置３１の洗浄部３３は液体エリア導入通路５８を有している。液体エリア導入通路５８は、洗浄部３３に形成された流入口３８から液体エリア４１の洗浄液の中まで延びており、洗浄部３３に流入した全ての排気ガスを液体エリア４１へ導くことができる。液体エリア導入通路５８の流入口３８付近には噴射ノズル３９が設けられており、噴射ノズル３９は洗浄部３３（液体エリア導入通路５８）に流入した排気ガスに洗浄液を噴射する。なお、噴射ノズル３９から噴射される洗浄液は、貯水部４７から汲み上げられたものである。そして、洗浄液が噴射された排気ガスは、液体エリア導入通路５８の内部を通って、液体エリア３７の洗浄液中に放出される。これにより、排気ガスはさらに液体エリア３７に溜められた洗浄液によって洗浄されることになる。

このように、洗浄部３３は液体エリア３７にある程度の量の洗浄液を溜めているため、この溜められた洗浄液を用いて、スプレー方式のみならず溜水方式による洗浄を同時に行うことができる。そのため、本実施形態に係るエンジンシステム２００では、より効率よく排気ガスの洗浄を行うことが可能となる。

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。例えば、洗浄部３３における洗浄方式が、スプレー方式や溜水方式以外の方式であっても、本発明に含まれる。

また、上述した実施形態では、洗浄部３３の液体エリア３７と冷却部３４の液体エリア４１が、外枠ケース５１と仕切部材５３の隙間を介して直接接続されていたが、他の形態によって直接接続されていてもよい。例えば、外枠ケース５１と仕切部材５３の間には隙間はない一方、仕切部材５３には貫通穴が形成されており、この貫通穴を介して両液体エリア３７、４１が直接接続されていても本発明に含まれる。また、同様に外枠ケース５１と仕切部材５３の間には隙間はない一方、両液体エリア３７、４１が短いパイプで繋がっており、このパイプを介して両液体エリア３７、４１が直接接続されていても本発明に含まれる。

さらに、外枠ケース５１の内部では洗浄部３３と冷却部３４が連通しないようにして仕切部材５３を設けるとともに、両気体エリア３６、４０を連通させる配管やダクト等と、両液体エリア３７、４２を連通させる配管やダクト等を外枠ケース５１の外側に設けてもよい。また、仕切り板５３の下端によって完全に洗浄部３３の液体エリア３７と冷却部３４の液体エリア４１の間を封鎖した上で、噴射ノズル３９につながる配管と、液体エリア３７と、液体エリア４１とに接続されるＹ字配管を設けてもよい。かかる構成によれば、両液体エリア３７、４１の液体をＹ字配管内で合流させ、合流させた液体を噴射ノズル３９に供給することができる。いずれの場合であっても、貯水部４７は、洗浄部３３の液体エリア３７と冷却部３４の液体エリア４１によって形成されているといえる。

本発明に係る洗浄冷却装置をＥＧＲユニットが備えることで、サージタンクのないＥＧＲユニットを構成することができる。よって、ＥＧＲユニットの技術分野において有益である。

１０ エンジン
３０ ＥＧＲユニット
３１ 洗浄冷却装置
３３ 洗浄部
３４ 冷却部
３６ 気体エリア
３７ 液体エリア
３９ 噴射ノズル
４０ 気体エリア
４１ 液体エリア
５１ 外枠ケース
５２ 内壁
５３ 仕切部材
１００、２００ エンジンシステム

Claims (9)

1. ＥＧＲユニットの一部を構成する装置であって、
   洗浄液を用いて排気ガスを洗浄する洗浄部と、
   前記洗浄部に隣接し、前記洗浄部で洗浄された排気ガスを冷却する冷却部と、を備え、
   前記洗浄部は、洗浄に使用する洗浄液が溜められている液体エリアを有し、
   前記冷却部は、冷却される排気ガスが流れる気体エリアと、排気ガスの冷却によって発生した凝縮水を受ける液体エリアを有し、
   前記洗浄部の液体エリアと前記冷却部の液体エリアとが直接接続されており、
   前記冷却部の気体エリアには排気ガスを冷却する熱交換器が設けられており、
   前記熱交換器は、排気ガスが当該熱交換器を通過する際、排気ガスが当該熱交換器の鉛直方向上側から鉛直方向下側に向かって流れるように配置されている、
   洗浄冷却装置。
2. 前記洗浄部は洗浄された排気ガスが流れる気体エリアを有し、
   前記洗浄部の気体エリアと前記冷却部の気体エリアとが直接接続されている、
   請求項１に記載の洗浄冷却装置。
3. 前記洗浄部及び前記冷却部は、外枠ケースの内壁と、該外枠ケースの内部空間を仕切る仕切部材とによって画されている、請求項２に記載の洗浄冷却装置。
4. 前記洗浄部の気体エリアと前記冷却部の気体エリアとが前記仕切部材の上端付近において直接接続されており、前記洗浄部の液体エリアと前記冷却部の液体エリアとが前記仕切部材の下端付近において直接接続されている、請求項３に記載の洗浄冷却装置。
5. 前記仕切部材は板状に形成されている、請求項４に記載の洗浄冷却装置。
6. 前記洗浄部は液体エリアの洗浄液を汲み上げて排気ガスに噴射するように構成されている、請求項１乃至５のうちいずれか一の項に記載の洗浄冷却装置。
7. 前記洗浄部は液体エリアの洗浄液中に排気ガスを放出するように構成されている、請求項６に記載の洗浄冷却装置。
8. 請求項１乃至７のうちいずれか一の項に記載の洗浄冷却装置を備え、前記洗浄冷却装置によって洗浄及び冷却した排気ガスをエンジンに再循環させる、ＥＧＲユニット。
9. 請求項８に記載のＥＧＲユニットを備えた、エンジンシステム。

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