JP6550520B1 - Ｅｇｒユニット及びエンジンシステム - Google Patents

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Abstract

【課題】エンジンの運転中にＥＧＲブロワを停止したときに、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。【解決手段】ＥＧＲユニット５０は、舶用２サイクルエンジン１０に設けられており、排ガス流路２０から排ガスを排ガス流路よりも圧力の高い掃気流路４０へ供給するＥＧＲユニットで、排ガス流路と掃気流路とをつなぐＥＧＲ流路と、ＥＧＲ流路に設けられたＥＧＲブロワ５３と、を備え、ＥＧＲ流路は、ＥＧＲブロワが停止したとき、排ガス流路と掃気流路の圧力差を利用して、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流路内の排ガスを排ガス流路に排出するように構成されており、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る。【選択図】図１

Description

本発明は、ＥＧＲユニット及びエンジンシステムに関する。
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。
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。
特開２０１４−１２２５７５号公報
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
図１は、エンジンシステムの全体図である。
＜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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
＜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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
＜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。
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。
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。
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

Claims (5)

  1. 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、ＥＧＲユニット。
  2. 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る、請求項１に記載のＥＧＲユニット。
  3. 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以下である、請求項２に記載のＥＧＲユニット。
  4. 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、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。
  5. 請求項１乃至４のうちいずれか一の項に記載のＥＧＲユニットを備えたエンジンシステム。
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